JP6480169B2 - 三次元座標測定機用プローブヘッド - Google Patents

Description

本発明は、三次元座標測定機用プローブヘッド、特に被測定物の形状を測定可能なスキャニングプローブに関する。

従来、被測定物の寸法や形状、大きさ等を測定することが可能な装置として、それぞれ直交するｘｙｚ軸の各軸方向に駆動可能な３つの駆動部材を有すると共に、いずれかの駆動部材の先端にプローブヘッドを備えた三次元座標測定機が広く利用されている。このような三次元座標測定機では、このプローブヘッドに装着された球状の測定子を被測定物に接触させた状態を維持させながら移動させる、いわゆる倣い測定がしばしば行われる。この倣い測定により取得される、プローブヘッドの三次元座標測定機における座標値、及び、プローブヘッドに対する測定子の変位量に基づいて、球状の測定子の中心座標値が検出されることで、被測定物の表面形状が空間上の連続した座標点列として出力される。

例えば特許文献１には、被対象物の形状を測定可能な座標測定装置について開示されており、その図１にはプローブヘッドの構成が図示されている。このプローブヘッドでは、プローブ球１４の変位を検出するための案内機構が、ｘｙｚ軸ごとにそれぞれ設けられる。ｘｙｚ方向の各案内機構は、互いに略等しい構成を有し、一対のばね薄板（５，６）（７，８）（１１，１２）をそれぞれ有する。各案内機構において、１対のばね薄板の片側に連結された部材（脚部３、及びプレート９，１０）の変位量が測定可能となっている。また各案内機構は、ｚ軸方向に沿って順次シリアルに連結されている。

特開平８−４３０６６号公報

上記のような三次元座標測定機では、プローブヘッドの小型化や高い測定精度が求められる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、小型化を実現しつつ高い測定精度を発揮することが可能な三次元座標測定機用プローブヘッドを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る三次元座標測定機用プローブヘッドは、第１の弾性機構と、第２の弾性機構とを具備する。
前記第１の弾性機構は、第１の対象物の中心に対して対称に構成され、弾性力により前記第１の対象物を第１の方向に変位可能に支持する。
前記第２の弾性機構は、前記第１の対象物の内部に配置された第２の対象物の中心に対して対称となるように、前記第１の対象物の内部に構成され、弾性力により前記第２の対象物を前記第１の方向に直交する第２の方向に変位可能に支持する。

この三次元座標測定機用プローブヘッドでは、変位を検出する対象となる第１の対象物の中心に対して対称に第１の弾性機構が設けられる。また第１の対象物の内部に第２の対象物と第２の弾性機構が設けられる。第２の弾性機構は、第２の対象物の中心に対して対称に構成される。これによりプローブヘッドの小型化を実現することができる。また第１及び第２の方向の各変位の測定におけるアッベのオフセット量を抑えることが可能となり、高い測定精度を発揮することが可能となる。

前記第２の対象物の中心は、前記第１の対象物の中心と等しくてもよい。
これにより第１及び第２の方向の各変位の測定において、アッベのオフセット量を互いに略等しくすることが可能となり、高い測定精度が発揮される。

前記第１の弾性機構は、前記第２の方向で前記第１の対象物の両外側に、前記第１の対象物に連結された第１のヒンジ機構を有してもよい。
このプローブヘッドでは、第２の方向で第１の対象物の両外側に、第１のヒンジ機構が構成される。これにより構造の簡素化及び測定精度の向上を図ることができる。

前記第１のヒンジ機構は、前記第１の対象物の前記第２の方向で対向する一対の側面部の一方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部と、前記一対の側面部の他方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部とを有してもよい。
このプローブヘッドでは、第１の対象物の側面部にそれぞれ１以上のヒンジ要素からなる第１及び第２のヒンジ部がそれぞれ連結される。これにより構造の簡素化及び測定精度の向上を図ることができる。

前記第２の弾性機構は、前記第１の方向で前記第２の対象物の両外側に、前記第２の対象物に連結された第２のヒンジ機構を有してもよい。
このプローブヘッドでは、第１の方向で第２の対象物の両外側に第２のヒンジ機構が構成される。これにより構造の簡素化及び測定精度の向上を図ることができる。

前記第２のヒンジ機構は、前記第２の対象物の前記第１の方向で対向する一対の側面部の一方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部と、前記一対の側面部の他方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部とを有してもよい。
このプローブヘッドでは、第２の対象物の側面部にそれぞれ１以上のヒンジ要素からなる第３及び第４のヒンジ部がそれぞれ連結される。これにより構造の簡素化及び測定精度の向上を図ることができる。

前記各第１の弾性機構は、前記第２の方向に沿ってそれぞれ配置された前記第１の方向で互いに対向する一対の第１の板バネと、前記一対の第１の板バネの前記第２の方向におけるそれぞれの両端を支持する第１の支持部とを有してもよい。この場合、前記一対の第１の板バネは、それぞれの前記両端の間の部分にて、前記第１の対象物を支持してもよい。
このプローブヘッドでは、一対の第１の板バネの両端が支持され、両端の間の部分にて第１の対象物が支持される。一対の板バネを用いることで構造の簡素化を図ることができる。また測定精度を向上させることができる。

前記各第２の弾性機構は、前記第１の方向に沿ってそれぞれ配置された前記第２の方向で互いに対向する一対の第２の板バネと、前記一対の第２の板バネの前記第１の方向におけるそれぞれの両端を支持する第２の支持部とを有してもよい。この場合、前記一対の第２の板バネは、それぞれの前記両端の間の部分にて、前記第２の対象物を支持してもよい。
このプローブヘッドでは、両端が支持された一対の第２の板バネにより、第２の対象物が支持される。これにより構造の簡素化を図ることができ測定精度を向上させることができる。

前記三次元座標測定機用プローブヘッドは、さらに、前記第１の対象物の前記第１の方向における第１の変位と、前記第２の対象物の前記第２の方向における第２の変位とをそれぞれ検出する第１の検出機構を具備してもよい。

前記第１の検出機構は、前記第１の対象物の中心に中心位置が合わせられたリング状のディスクと、前記ディスクに配置された前記第１の変位を検出する第１のセンサ部と、前記ディスクに配置された前記第２の変位を検出する第２のセンサ部とを有してもよい。
これにより第１の対象物の中心から近い位置に第１及び第２のセンサ部を設けることができ、アッベのオフセット量を抑えることが可能となる。またリング状のディスクを用いることで、第１及び第２の方向におけるアッベのオフセット量を互いに略等しくすることが可能となる。この結果、高い測定精度を発揮させることが可能となる。

前記三次元座標測定機用プローブヘッドは、さらに、支持機構と、第２の検出機構とを具備してもよい。
前記支持機構は、前記第１の対象物の中心に配置され、前記第１及び前記第２の対象物に接続される測定子を、前記第１及び前記第２の方向のそれぞれに直交する第３の方向に変位可能に支持する。
前記第２の検出機構は、前記測定子の前記第３の方向における第３の変位を検出する。

前記支持機構は、前記第３の方向で前記第２の対象物の両外側に配置された２枚のダイアフラムを有してもよい。この場合、前記第２の検出機構は、前記第２の対象物の中心から前記第３の方向に延在する中心軸上に配置された第３のセンサ部を有してもよい。
支持機構として２枚のダイアフラムを用いることで、プローブヘッドの小型化を図ることができる。また上記した中心軸に第３のセンサ部を配置することで、アッベのオフセット量を略ゼロにすることが可能となる。この結果、高い測定精度を発揮させることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、小型化を実現しつつ高い測定精度を発揮することが可能な三次元座標測定機用プローブヘッドを提供することができる。なお、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

第１の実施形態に係る形状測定装置の構成例を示す概略図である。 プローブヘッドのＸＺ平面における断面図である。 プローブヘッド内の３軸変位機構を主に示す断面図である。 ３軸変位機構を主に示す斜視図である。 ３軸変位機構のＸＹ平面における断面図である。 第１及び第２のダイアフラムの構成例を示す概略図である。 ＸＹ変位検出部の構成例を示す概略図である。 比較例として挙げる支持機構について説明するための概略図である。 第２の実施形態に係るプローブヘッドの構成例を示す断面図である。 図９に示すＸＹ変位機構の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
［形状測定装置］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の構成例を示す概略図である。形状測定装置５００は、三次元座標測定機１及びコンピュータ２を有する。

三次元座標測定機１は、定盤１０と、Ｙ軸駆動機構１１と、Ｙブリッジ１２と、Ｘキャリッジ１３と、Ｚラム１４とを有する。定盤１０は、被測定物Ｗを載置するベース面１５が、水平面（図１のＸＹ平面）と平行となるように設置される。Ｙ軸駆動機構１１は、定盤１０のＸ方向の一端に、Ｙ方向に延在するように設置される。

Ｙブリッジ１２は、門型の構造をなし、Ｙコラム１６と、Ｙサポータ１７と、Ｘビーム１８とを有する。Ｙコラム１６は、Ｙ軸駆動機構１１上に垂直方向（Ｚ方向）に延在するように設置される。Ｙサポータ１７は、Ｘ方向でＹコラム１６と対向するように、定盤１０上の他端に設置される。Ｙサポータ１７の下端は、エアーベアリング等によりＹ方向に移動可能に支持される。

Ｘビーム１８は、Ｘ方向に延在し、Ｙコラム１６及びＹサポータ１７により両端が支持される。Ｙ軸駆動機構１１が駆動すると、Ｙコラム１６、Ｙサポータ１７、及びＸビーム１８が、Ｙ方向に一体的に移動される。Ｘキャリッジ１３は、Ｚ方向に延在するように、Ｘビーム１８に設置される。Ｘキャリッジ１３は、Ｘビーム１８に備えられたＸ軸駆動機構により、Ｘビーム１８に対してＸ方向に移動可能に構成される。

Ｚラム１４は、Ｚ方向に延在するように、Ｘキャリッジ１３に設置される。Ｚラム１４は、Ｘキャリッジに備えられたＺ軸駆動機構により、Ｘキャリッジ１３に対してＺ方向に移動可能に構成される。図１に示すようにＺラム１４の下端には、プローブヘッド１００が装着される。

Ｙ軸駆動機構１１やその他のＸ軸、及び、Ｚ軸の駆動機構がコンピュータ２により制御されることで、ＸＹＺの３軸で構成される測定座標区間内で、プローブヘッド１００を駆動走査することが可能となる。

また三次元座標測定機１には、プローブヘッド１００の変位を検出するためにリニアエンコーダ部１９が設置される。このリニアエンコーダ部１９は、プローブヘッド１００が駆動走査される際に、ＸＹＺの各方向の変位量、または位置のデータを出力する。

図１に示すように、リニアエンコーダ部１９は、Ｘ軸リニアエンコーダ１９ｘ、Ｙ軸リニアエンコーダ１９ｙ、及びＺ軸リニアエンコーダ１９ｚを有する。Ｘ軸リニアエンコーダ１９ｘは、Ｘビーム１８に配置され、Ｘキャリッジ１３のＸ方向の変位量を検出する。Ｙ軸リニアエンコーダ１９ｙは、Ｙ軸駆動機構１１の近傍に配置され、Ｙブリッジ１２のＹ方向の変位量を検出する。Ｚ軸リニアエンコーダ１９ｚは、Ｘキャリッジ１３に配置され、Ｚラム１４のＺ方向の変位量を検出する。

プローブヘッド１００には、スタイラス（測定子）３０が着脱可能に取り付けられる。スタイラス３０の先端には、例えば球状の先端球３１が設けられる。先端球３１は、定盤１０上に載せられた被測定物Ｗに接触し、その基準位置（中立位置）から所定の押し込み量だけプローブヘッド１００の内部へ押し込まれる。この結果、スタイラス３０は、ＸＹＺの各方向において並進変位する。

プローブヘッド１００に内蔵された変位検出部により押し込み量（Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向）が検出され、その際の先端球３１のＸＹＺ座標値（基準位置からのシフト量）がコンピュータ２に取り込まれる。変位検出部については後に詳しく説明する。

コンピュータ２は、三次元座標測定機１を駆動制御して必要な測定値を取り込むと共に、被測定物Ｗの表面性状を算出するのに必要な演算処理を実行する。コンピュータ２は、コンピュータ本体２１、キーボード２２、マウス２３、モニタ２４及びプリンタ２５を有する。

［プローブヘッド］
図２−図５は、本発明の実施形態に係るプローブヘッドの構成例を示す概略図である。図２は、プローブヘッド１００のＸＺ平面における断面図である。図３は、図２に示す断面図のうち、プローブヘッド１００内の３軸変位機構４５を主に示す図である。図４は、３軸変位機構４５を主に示す斜視図である。図５は、３軸変位機構４５のＸＹ平面における断面図であり、図２のＡ−Ａ線の位置における断面図である。

３軸変位機構４５は、スタイラス３０の先端球３１のＸＹＺの各方向への変位を許容し、被測定物Ｗとの接触が解除された場合には、先端球３１を基準位置に戻す機能を有する。３軸変位機構４５は、ＸＹ変位機構として機能するＸＹ弾性ヒンジ４６と、Ｚ変位機構６０とを有する。図３等に示すように、Ｚ変位機構６０にＺ方向に延在するＺ主軸部３２が接続され、Ｚ主軸部３２の下端にスタイラス３０が接続される。

図４等に示すように、ＸＹ弾性ヒンジ４６は、おおよその外形として、Ｘ軸を長軸方向とする略直方体形状を有する。ＸＹ弾性ヒンジ４６は、Ｚ方向にて対向する２つの主面４６ａ及び４６ｂを有する。主面４６ａ及び４６ｂは、その面方向が水平方向と平行になるように設定される。なお主面４６ａが上面となり、主面４６ｂが下面となる。

図４及び図５に示すように、ＸＹ弾性ヒンジ４６は、一対の固定部４７（４７ａ及び４７ｂ）と、一対のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部４８（ヒンジ４８ａ及びヒンジ４８ｂ）と、一対のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部４９（ヒンジ４９ａ及びヒンジ４９ｂ）と、中央フレーム５０と、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１（ヒンジ５１ａ及びヒンジ５１ｂ）と、一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２（ヒンジ５２ａ及びヒンジ５２ｂ）と、中央部５３とを有する。これらの各部は、Ｚ方向から見た平面形状（以下、単に平面形状と記載する）を維持したまま、Ｚ方向に延在する。

一対の固定部４７は、図２に示す基体部３６の支持部４２に止め部材４０を介して固定される部分である。一対の固定要素からなる固定部４７は、Ｘ方向で対向して配置され、各平面形状はＹ方向に延在する略長方形状である。一方の固定部４７ａのＹ方向における両端に、一対のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部４８が連結される。これら一対のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部４８はそれぞれＸ方向に延在する平面形状を有し、固定部４７ａに連結される側の反対側の端部が中央フレーム５０に連結される。

他方の固定部４７ｂのＹ方向における両端には、一対のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部４９が連結される。これら一対のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部４９もそれぞれＸ方向に延在する平面形状を有し、固定部４７ｂに連結される側の反対側の端部が中央フレーム５０に連結される。従って第１のヒンジ部４８、及び、第２のヒンジ部４９は、Ｘ方向で中央フレーム５０の両外側に、中央フレーム５０に連結される。

第１及び第２のヒンジ部４８及び４９と各固定部４７ａ及び４７ｂとの接続部分、第１及び第２のヒンジ部４８及び４９と中央フレーム５０との接続部分は、Ｚ方向から見て面積が小さくなるように形成される。これにより弾性変形可能なヒンジ機構が構成され、第１及び第２のヒンジ部４８及び４９が、弾性ヒンジとして機能する。この結果、中央フレーム５０は、第１及び第２のヒンジ部４８及び４９によりＹ方向に変位可能に支持される。

本発明の実施形態では、スタイラス３０の先端球３１がＹ方向に押し込まれると、ＸＹ弾性ヒンジ４６の中央部５３、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１、一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２、及び中央フレーム５０が一体となって固定部４７に対してＹ方向に変位する。従って、中央部５３、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１、一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２、及び、中央フレーム５０が、Ｙ方向の変位を検出する対象となる第１の対象物に相当する。

そして一対の固定要素からなる固定部４７、一対のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部４８、及び一対のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部４９により、Ｘ方向で第１の対象物の両外側に、第１の対象物に連結された第１のヒンジ機構５５が構成される。図５に示す中央フレーム５０のＸ方向で一対の側面部５０ａ及び５０ｂは、第１の対象物の一対の側面部を構成すると共に、一対のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部４８と一対のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部４９とがそれぞれ連結される。

また第１のヒンジ機構５５は、第１の対象物の中心Ｏ１、すなわちＺ主軸部３２が配置される位置に対して対称に構成される第１の弾性機構としても機能する。なお中心Ｏ１に対して対称に構成されるとは、典型的には、中心Ｏ１を基準として１８０度回転させた場合に、Ｚ方向から見た平面形状が変わらない構成を意味する。

中央フレーム５０は、Ｚ方向に延在する中空状の円筒形状を中央に有する。図５に示すように、中央フレーム５０の平面形状は略矩形状となる。上記した一対の側面部５０ａ及び５０ｂと、Ｙ方向で一対の側面部５０ｃ及び５０ｄにより、中央フレーム５０が構成される。

中央フレーム５０の側面部５０ｃのＸ方向における両端の内周側に、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１が連結される。一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１はそれぞれＹ方向に延在する平面形状を有し、側面部５０ｃに連結される側の反対側の端部が中央部５３に連結される。

側面部５０ｄのＸ方向における両端の内周側には、一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２が連結される。これら一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２もそれぞれＹ方向に延在する平面形状を有し、側面部５０ｄに連結される側の反対側の端部が中央部５３に連結される。従って第３のヒンジ部５１、及び、第４のヒンジ部５２は、Ｙ方向で中央部５３の両外側で、中央部５３に連結される。

第３及び第４のヒンジ部５１及び５２と各側面部５０ｃ及び５０ｄとの接続部分、第３及び第４のヒンジ部５１及び５２と中央部５３との接続部分は、Ｚ方向から見て面積が小さくなるように形成される。これにより弾性変形可能なヒンジ機構が構成され、第３及び第４のヒンジ部５１及び５２が、弾性ヒンジとして機能する。この結果、中央部５３は、第３及び第４のヒンジ部５１及び５２によりＸ方向に変位可能に支持される。

スタイラス３０の先端球３１がＸ方向に押されると、中央部５３が変位する。従って本実施形態では、中央部５３が、Ｘ軸方向の変位を検出する対象となる。

そして一対の側壁部５０ｃ及び５０ｄ、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１、及び一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２により、Ｙ方向で第２の対象物の両外側に、第２の対象物に連結された第２のヒンジ機構５６が構成される。図５等に示すように中央部５０は、略円形状の平面形状を有し、一対のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部５１と連結される略半円形状の部分が、側面部５３ａとなる。また一対のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部５２と連結される略半円形状の部分が、Ｙ方向にて側面部５３ａと対向する側面部５３ｂとなる。

また第２のヒンジ機構５６は、第２の対象物の中心Ｏ２、すなわちＺ主軸部３２が配置される位置に対して対称となるように、第１の対象物の内部に構成される第２の弾性機構としても機能する。図５等に示すように第２の対象物の中心Ｏ２は、第１の対象物の中心Ｏ１と等しく、第１及び第２の対象物の中心Ｏ１及びＯ２にＺ主軸部３２が配置される。従って、スタイラス３０の先端球３１は、Ｚ方向の変位については、当該中心Ｏ１及びＯ２からＺ方向に延在する仮想的な中心軸Ｃ上を移動することになる（中心軸ＣのＸＹ平面上の位置は変位する）。

ＸＹ弾性ヒンジ４６は、例えばアルミニウムやジュラルミン等の金属材料に対して放電加工を施すことで形成することができる。もちろん他の材料や他の加工方法が用いられてもよい。また第１及び第２の対象物の中心Ｏ１及びＯ２に対して対称に構成されるのであれば、固定部や各ヒンジ部等の形状やサイズは限定されない。適性な測定力（原点復帰力）が発揮されるように、材料や各部のサイズ、形状等が適宜設計可能である。

図３に示すように、Ｚ変位機構６０は、第１のダイアフラム６１を支持する第１のホルダ部６３と、第２のダイアフラム６２を支持する第２のホルダ部６４とを有する。

第１及び第２のダイアフラム６１及び６２は、Ｚ方向から見て略円形状の平面形状を有する。第１のダイアフラム６１の周縁部６１ａは、第１のホルダ部６３及び中央部５３の両方に固定されると共に、中心部６１ｂはＺ主軸部３２に接続される。第２のダイアフラム６２の周縁部６２ａは、第２のホルダ部６４及び中央部５３に固定されると共に、中心部６２ｂはＺ主軸部３２に接続される。

第１及び第２のダイアフラム６１及び６２は、Ｚ方向に弾性変形可能であると共にＺ方向で第２の対象物の両外側に配置される。従って、第１及び第２のダイアフラム６１及び６２には、弾性変形によりＺ主軸部３２及びスタイラス３０をＺ方向に変位可能に支持する支持機構として機能する。

本実施形態では、Ｚ主軸部３２及びスタイラス３０は、第１及び第２のホルダ部６３及び６４を介して、ＸＹ弾性ヒンジ４６の中央部５３（第１及び第２の対象物）に接続される。

図６は、第１及び第２のダイアフラムの構成例を示す概略図であり、Ｚ方向から見た平面図である。ここで説明する構成は、第１及び第２のダイアフラム６１及び６２の両方に適用可能である、従って、第１及び第２のダイアフラム６１及び６２を区別せず、ダイアフラム６５として説明を行う。

ダイアフラム６５は、円盤状の薄板からなり弾性材料により形成される。ダイアフラム６５は、スタイラス３０の先端球３１に負荷がかかっていない状況では、主面６５ａが水平方向と平行になるように配置される。当該主面６５ａには、適正な弾性力が発揮されるように、所定の形状を有する開口６６が形成される。例えば図６Ａに示すように、中央に円形状の開口６６ａが形成され、その周囲にアルファベットのＬの字に近い形状の開口６６ｂが３つ形成される。３つの開口６６ｂは、ダイアフラム６５の中心に対して対称となるように１２０度間隔で形成される。

図６Ｂに示すダイアフラム６５では、中央に円形状の開口６６ａと、当該開口６６ａと同心円となる円の円周の一部に相当する開口６６ｂが形成される。その他、任意の形状の開口を、ダイアフラム６５の主面６５ｂに形成してもよい。もちろん開口が形成されずに切り込みを入れるだけの構成でもよい。弾性材料の種類も限定されず適宜選択可能である。

図２に示すように、変位検出部７０は、ＸＹ変位検出部７１及びＺ変位検出部７２を有する。ＸＹ変位検出部７１は、第１の対象物のＹ方向における第１の変位と、第２の対象物のＸ方向における第２の変位とをそれぞれ検出する第１の検出機構として機能する。第１の対象物の第１の変位は、被測定物Ｗに接触する先端球３１のＹ方向への変位に相当する。また第２の対象物の第２の変位は、先端球３１のＸ方向への変位に相当する。

図７は、ＸＹ変位検出部７１の構成例を示す概略図であり、Ｚ方向の下方側から斜めに見た図である。図２及び図７に示すように、ＸＹ変位検出部７１は、スケールディスク７３と、２つのＸ検出器７４（７４ａ及び７４ｂ）及び２つのＹ検出器７５（７５ａ及び７５ｂ）とを有する。

スケールディスク７３は、リング状のディスクであり、中心位置Ｏ３が中心軸Ｃ上に合うように、第２のホルダ部６４の下面に設置される。図２に示すように、スケールディスク７３の中央の開口７６内を、Ｚ主軸部３２が通ることになる。先端球３１がＸ及びＹ方向に変位すると、これに伴って第２のホルダ部６４が変位する。従って、第２のホルダ部６４に設置されたスケールディスク７３も、先端球３１の変位にともなって変位する。

スケールディスク７３には、２つのＸスケール７７（７７ａ及び７７ｂ）と、２つのＹスケール７８（７８ａ及び７８ｂ）とが設置される。

Ｘ検出器７４は、Ｘスケール７７の目盛りを読み取ることが可能であり、Ｘスケール７４に対向するように、基体部３６の底面部３６ａに設置される。Ｘ検出器７４ａはＸスケール７７ａと対向して配置され、Ｘ検出器７４ｂはＸスケール７７ｂと対向して配置される。目盛りを読み取るための具体的な構成は限定されないが、典型的にはリニアエンコーダが用いられる。

Ｙ検出器７５は、Ｙスケール７８の目盛りを読み取るために、Ｙスケール７８に対向して配置される。Ｙ検出器７５ａはＹスケール７８ａと対向して配置され、Ｙ検出器７５ｂはＸスケール７ｂｂと対向して配置される。Ｙ検出器７５は、Ｘ検出器７４と略等しい構成を有し、基体部３６の底面部３６ａに設置される。

Ｚ変位検出部７２は、スタイラス３０のＺ方向における第３の変位を検出する第２の検出機構として機能する。図２に示すように、Ｚ変位検出部７２は、Ｚ主軸部３２の中心部（中心軸Ｃ上）に設けられたＺスケール８１と、これに対向する位置に配置されたＺ検出器８２とを有する。Ｚ変位機構６０の第１のホルダ部６３の上面には、止め部材４０により、検出器ホルダ８３が固定される。Ｚ検出部８２は、当該検出器ホルダ８３により支持される。

Ｚスケール８１は、ラインアンドスペースからなる目盛りを有し、Ｚ検出部８２は当該目盛りを読み取る。Ｚスケール８１及びＺ検出部８２として、典型的には、リニアエンコーダが用いられる。なおＺスケール８１は、中心軸Ｃ上に配置されるのであれば、Ｚ主軸部３２とは異なる部材に設けられてもよい。

以上、本実施形態に係る三次元座標測定機用のプローブヘッド１００では、変位検出の対象となる第１の対象物（中央フレーム５０、第３及び第４のヒンジ５１及び５２、中央部５３）の中心Ｏ１に対して対称に第１のヒンジ機構５５が設けられる。また第１の対象物の内部に第２の対象物（中央部５３）と第２のヒンジ機構５６が設けられる。当該第２のヒンジ機構５６は、第２の対象物の中心Ｏ２に対して対称に構成される。これによりプローブヘッド１００の小型化を実現することができる。またＸ及びＹ方向の各変位の測定におけるアッベのオフセット量を抑えることが可能となり、高い測定精度を発揮することが可能となる。

図８は、比較例として挙げる支持機構について説明するための概略図である。この支持機構９００は、固定部９５０に固定された第１の部材９０１と、スタイラス９４０を支持する第２の部材９０２と、第１及び第２の部材９０１及び９０２を連結する一対の板バネ９０３（９０３ａ及び９０３ｂ）とを有する。

第１及び第２の部材９０１及び９０２は、水平方向に沿って配置された板状の部材であり、互いに略等しい形状及びサイズを有する。第１の部材９０１の左側の端部に形成された取付部９０１ａと、第２の部材９０２の左側の端部に形成された取付部９０２ａとの間に、一方の板バネ９０３ａが取り付けられる。また第１の部材９０１の右端部の取付部９０１ｂと、第２の部材９０２の右端部の取付部９０２ｂとの間に、他方の板バネ９０３ｂが取り付けられる。

第２の部材９０２は、一対の板バネ９０３の曲げ弾性により、Ｘ方向に変位可能に支持される。すなわちこの支持機構９００では、第２の部材９０２が、変位検出の対象となる対象物となり、スタイラス９４０の先端球９４１が押し込まれると、それに応じて第２の部材９０２が変位する。

このような一対の板バネ９０３の片方の端部が固定され、もう片方の端部に対象物が接続される構成の場合、Ｘ方向の押し込みに対して、Ｚ方向に非線形の変位δが発生してしまう。この結果、被測定物Ｗへの先端球９４１の接触点がずれてしまい、三次元測定の精度が低下してしまう。また環境温度が変化する場合に、両方の板バネ９０３の延展方向において伸縮が発生してしまう。この結果、適性な測定力（原点復帰力）を発揮することが難しくなり、測定精度が低下してしまうという問題がある。

ＸＹＺの各軸方向用に、図８に示す支持機構９００を３つ準備する場合には、上記した問題の影響がさらに大きくなる。なお上記した特許文献１に記載された案内機構は、原理的には、図８に示す支持機構９００の構成が採用されている。当該案内機構がＸＹＺ軸ごとに設けられ、３つの案内機構がＺ方向に沿ってシリアルに連結されている。

このような問題に対して本発明の実施形態に係るプローブヘッド１００では、第１の対象物の中心Ｏ１に対して対称となるように、Ｘ方向で第１の対象物の両外側に、第１のヒンジ機構５５が設けられる。これによりＹ方向への不要な変位を十分に抑えることができ、接触点のずれを十分に抑えることができる。また第１のヒンジ機構５５は中心Ｏ１に対して対称に構成されているので、環境温度の変化による寸法変化は等方的に発生するので、中心Ｏ１の位置が特定の方向へ変位することがなく、精度劣化への影響を十分に抑えることができる。この結果、高い測定精度を発揮することが可能となる。

また特許文献１に記載のプローブヘッドのように、互いに略等しい構成を有する案内機構が３つシリアルに連結される構成では、Ｚ方向の外形寸法が非常に大きくなる。従ってプローブヘッドの大きさにより、Ｚ方向の測定可能範囲が狭くなってしまうという問題がある。

これに対して本発明の実施形態に係るプローブヘッド１００では、第１の対象物内に、第２の対象物と第２のヒンジ機構５６が設けられる。すなわちＸ及びＹ軸の２つの方向における支持機構が一体的に形成されている。これによりプローブヘッド１００のＺ方向のサイズを十分に小さくすることができ、三次元座標測定機のＺ方向の測定可能範囲を有効に活用することができる。

また特許文献１に示すようなプローブヘッドでは、各案内機構の内部に、変位を検出する機構が設けられる。当該検出機構は、１対のばね薄板の片側に連結された部材（特許文献１に記載の脚部３、及びプレート９，１０）の変位を検出する。３つの案内機構は、Ｚ方向にシリアルに連結されるので、各検出機構は、ＸＹＺの各方向への先端球の移動軸（各方向への先端球の軌跡）から離れた位置に配置される。この結果、先端球と検出機構との距離であるアッベのオフセット量が大きくなり、測定精度が低下してしまう。また各軸でアッベのオフセット量が異なるので、各軸で測定精度が異なってしまうという問題がある。

これに対して本発明の実施形態に係るプローブヘッド１００では、Ｚ変位機構７２の下部のスタイラス３０の直近にスケールディスク７３が配置される。これによりＸ及びＹ方向におけるアッベのオフセット量を十分に抑えることが可能となる。まスケールディスク７３上において、中心軸Ｃからの距離が等しい位置にＸ検出器７４及びＹ検出器７５が配置される。これによりＸ及びＹ方向におけるアッベのオフセット量を互いに略等しくすることができる。この結果、Ｘ及びＹ方向において、変位検出の感度を略等しくすることが可能となり、測定精度の劣化を防ぐことが可能となる。

Ｚ方向においては、Ｚ主軸部３２に接続された２枚のダイアフラム６１及び６２により、Ｚ変位機構６０が構成されるので、Ｚ主軸部３２にＺスケール８１を配置することができる。この結果Ｚ方向においては、アッベのオフセット量を略ゼロにすることが可能となる。従ってアッベの原理を満たす形態での測定が可能となるので、高い測定精度を発揮することが可能となる。

また、本発明の実施形態では、図７に示すように、スケールディスク７３に対して、９０度ごとにＸ検出器及びＹ検出器７４及び７５が交互に配置される。これによりスタイラス３０の微小な回転変位に対しても検出が可能である。

基本的に、本発明の実施形態に係るＸＹ弾性ヒンジ４６は中心軸Ｃの回転に対して高いねじれ剛性を有している。しかしながら測定課題や被測定物Ｗの形状等によっては、中心軸Ｃに対して直角方向に伸びるスタイラス３０が装着され、被測定物Ｗとの接触の際に、中心軸Ｃ周りのモーメントが発生しＸＹ弾性ヒンジ４６に微小回転をもたらす場合があり得る。

このような微小回転角Δθ（図７参照）は、Ｘ及びＹ方向にそれぞれに設けられた合計４つの検出器（Ｘ及びＹ検出器７４及び７５）により測定される変位量の演算により求めることができる。スタイラス３０の微小回転が検出可能であるので、当該回転による誤差等を精度よく補正することが可能となり、高い測定精度を発揮することが可能となる。

また、本発明の実施形態に係るプローブヘッド１００では、ＸＹ弾性ヒンジ４６の構成により、Ｘ及びＹ方向の測定力（原点復帰力）の重心を、中心軸Ｃ方向で略等しい位置に設定することができる。この結果、測定力と測定力の作用する先端球３１との距離の積算で求まるモーメント、及びこれに起因する歪みがＸ及びＹ方向において略等しくなり、プローブヘッド１００の方向依存性を軽減することができる。

また、特許文献１に示すようなプローブヘッドでは、３つの案内機構がＺ方向に沿ってシリアルに連結されるので、各方向における可動質量が、ＸＹＺの各軸において異なってしまう。すなわち下方に連結された他の軸用の案内機構の有無、及びその数により、作用する重さが異なってしまう。この結果、各軸における固有振動数が大きくばらついてしまう。

これに対して本発明の実施形態に係るプローブヘッド１００では、ＸＹ弾性ヒンジ４６、及びこのＸＹ弾性ヒンジ４６の中心軸Ｃ上に配置された２枚のダイアフラム６１及び６２により、３軸変位機構４５が構成される。この結果、プローブヘッド１００の軽量化及び固有振動数のばらつきを十分に抑えることができ、さらに測定精度の向上を図ることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係るプローブヘッドについて説明する。これ以降の説明では、上記の実施形態で説明したプローブヘッド１００における構成及び作用と同様な部分については、その説明を省略又は簡略化する。

図９は、本実施形態に係るプローブヘッド２００の構成例を示す断面図である。図９に示す断面図は、第１の実施形態の図５に示す断面図に対応する図である。すなわち図９は、ＸＹ変位機構２１０のＺ方向における略中央をＸＹ平面にて切断した場合の断面図である。

以下の説明では便宜上、図９の上側、下側を、プローブヘッド２００の奥側及び手前側として、右側及び左側を、プロープヘッド２００の右側及び左側とする。

本発明の実施形態に係るプローブヘッド２００は、ケース部を構成する容器形状の基体部２０１と、基体部２０１内に配置されるＸＹ変位機構２１０とを有する。ＸＹ変位機構２１０は、第１の支持部２１１と、一対の第１の板バネ２１２（２１２ａ及び２１２ｂ）と、第２の支持部２１３と、一対の第２の板バネ２１４（２１４ａ及び２１４ｂ）と、中央部２１５とを有する。

第１の支持部２１１は、第１の支持部２１１ａ及び２１１ｂからなり、止め部材４０を介して基体部２０１に固定される。第１の支持部２１１ａ及び２１１ｂは、Ｘ方向で互いに対向するように配置される。

一対の第１の板バネ２１２は、Ｙ方向で互いに対向するように、Ｘ方向に沿ってそれぞれ配置される。一方の第１の板バネ２１２ａは、第１の支持部２１１ａの奥側の端部と、第１の支持部２１１ｂの奥側の端部との間に取り付けられる。従って第１の板バネ２１２ａは、第１の支持部２１２ａ及び２１２ｂにより、両端が支持される。

他方の第１の板バネ２１２ｂは、第１の支持部２１１ａの手前側の端部と、第１の支持部２１１ｂの手前側の端部との間に取り付けられる。従って第１の板バネ２１２ｂも、第１の支持部２１２ａ及び２１２ｂにより、両端が支持される。なお各板バネと各部材との接続は、取付部２１６を介して行われる。

第２の支持部２１３は、第２の支持部２１３ａ及び２１３ｂからなり、Ｙ方向で対向するように配置される。図９に示すように、第２の支持部２１３ａは、奥側の第１の板バネ２１２ａの両端の間の、略中央部に取り付けられる。一方第２の支持部２１３ｂは、手前側の第１の板バネ２１２ｂの両端の間の、略中央部に取り付けられる。

本発明の実施形態では、Ｚ主軸部２１８に接続されたスタイラスの先端球が押し込まれると、中央部２１５、一対の第２の板バネ２１４、及び第２の支持部２１３が一体となって変位する。従って、これら中央部２１５、一対の第２の板バネ２１４、及び第２の支持部２１３が第１の対象物に相当する。そして第１の支持部２１１、一対の第１の板バネ２１２が、第１の対象物の中心Ｏ１に対して対称に構成され、弾性力により第１の対象物をＹ方向に変位可能に支持する第１の弾性機構として機能する。

一対の第２の板バネ２１４は、Ｘ方向で互いに対向するように、Ｙ方向に沿ってそれぞれ配置される。一方の第２の板バネ２１４ａは、第２の支持部２１３ａの左側の端部と、第２の支持部２１３ｂの左側の端部との間に取り付けられる。従って第２の板バネ２１２ｂは、第２の支持部２１３ａ及び２１３ｂにより、両端が支持される。

他方の第２の板バネ２１４ｂは、第２の支持部２１３ａの右側の端部と、第２の支持部２１３ｂの右側の端部との間に取り付けられる。従って第２の板バネ２１４ｂも、第２の支持部２１３ａ及び２１３ｂにより、両端が支持される。

中央部２１５は、第２の対象物に相当し、左側の第２の板バネ２１４ａの両端の間の略中央部と、右側の第２の板バネ２１４ｂの両端の間の略中央部とにより挟まれて支持される。第２の支持部２１３及び一対の第２の板バネ２１４は、第２の対象物の中心Ｏ２に対して対称となるように第１の対象物の内部に構成され、弾性力により第２の対象物をＸ方向に変位可能に支持する第２の弾性機構として機能する。

このように一対の第１及び第２の板バネ２１２及び２１４を用いることで、第１及び第２の弾性機構を含むＸＹ変位機構２１０を、簡素な構成にて実現することができる。これにより第１の実施形態で説明したＸＹ弾性ヒンジ４６と同様の効果を発揮することができる。また本実施形態に係るＸＹ変位機構２１０を、第１の実施形態で説明した２枚のダイアフラム６１及び６２を有するＺ変位機構６０や、スケールディスク７３を有する変位検出部７０と組み合わせることも可能である。この場合、上記で説明した種々の効果を発揮することが可能となる。

なお第１及び第２の支持部２１１及び２１３や、第１及び第２の板バネ２１２及び２１４の材料、形状、サイズ等は限定されず、適宜設計可能である。

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態で実現することができる。

図１０は、図９に示すＸＹ変位機構２１０の変形例を示す断面図である。このＸＹ変位機構３１０では、図９に示す一対の第１の板バネ２１２に代えて、４つの板バネ３１２（３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃ、３１２ｄ）が用いられる。また一対の第２の板バネ２１４に代えて、４つの板バネ３１４（３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ、３１４ｄ）が用いられる。

図１０に示すように、奥側において、板バネ３１２ａにより第１の支持部２１１ａと第２の支持部２１３ａとが連結される。また板バネ３１２ｂにより第１の支持部２１１ｂと第２の支持部２１３ａとが連結される。一方手前側において、板バネ３１２ｃにより第１の支持部２１１ａと第２の支持部２１３ｂとが連結される。また板バネ３１２ｄにより第１の支持部２１１ｂと第２の支持部２１３ｂとが連結される。

また左側において、板バネ３１４ａにより第２の支持部２１１ａと中央部２１５とが連結される。また板バネ３１４ｂにより第２の支持部２１１ｂと中央部２１５とが連結される。一方右側において、板バネ３１４ｃにより第２の支持部２１１ａと中央部２１５とが連結される。また板バネ３１４ｄにより第２の支持部２１１ｂと中央部２１５とが連結される。

すなわちこのＸＹ変位機構３１０は、図９に示す第１の板ばね２１２と、第２の板バネ２１４とが、それぞれ２つの板バネ３１２に分割された構成を有する。このような構成でも、本発明に係る第１及び第２の弾性機構を実現させることができ種々の効果を発揮することができる。

なお図１０に示す第１の支持部２１１と４つの板バネ３１２は、Ｘ方向で第１の対象物の両外側に、第１の対象物に連結された第１のヒンジ機構とみなすこともできる。同様に、第２の支持部２１３と４つの板バネ３１４は、Ｙ方向で第２の対象物の両外側に、第２の対象物に連結された第２のヒンジ機構とみなすことができる。

上記では、第１の対象物の中心と、第２の対象物の中心とが等しく設定された。しかしながら互いの中心が異なる位置に設定される場合でも、プローブヘッドの小型化及び高い測定精度を実現することが可能である。

上記で説明したプローブヘッドが適用される三次元座標測定機の種類は限定されない。ＣＮＣ（Computer Numerical Control）三次元座標測定機やタッチ信号プローブを搭載可能なマシニングセンタ等、種々の三次元座標測定が可能な機器に本発明に係るプローブヘッドは適用可能である。

以上、説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

Ｃ…中心軸
Ｏ１…第１の対象物の中心
Ｏ２…第２の対象物の中心
１…三次元座標測定機
２…コンピュータ
３０…スタイラス（測定子）
４５…３軸変位機構
４６、２１０…ＸＹ弾性ヒンジ
４８…一対の第１のヒンジ部
４９…一対の第２のヒンジ部
５０…中央フレーム
５１…一対の第３のヒンジ部
５２…一対の第４のヒンジ部
５３…中央部
５５…第１のヒンジ機構
５６…第２のヒンジ機構
６０…Ｚ変位機構
６１…第１のダイアフラム
６２…第２のダイアフラム
７０…変位検出部
７１…ＸＹ変位検出部
７２…Ｚ変位検出部
７３…スケールディスク
７４…Ｘ検出器
７５…Ｙ検出器
７７…Ｘスケール
７８…Ｙスケール
８１…Ｚスケール
８２…Ｚ検出器
１００…プローブヘッド
２１１…第１の支持部
２１２…一対の第１の板バネ
２１３…第２の支持部
２１４…一対の第２の板バネ
５００…形状測定装置

Claims (10)

1. 第１の対象物の中心に対して対称に構成され、弾性力により前記第１の対象物を第１の方向に変位可能に支持する第１の弾性機構と、
   前記第１の対象物の内部に配置された第２の対象物の中心に対して対称となるように、前記第１の対象物の内部に構成され、弾性力により前記第２の対象物を前記第１の方向に直交する第２の方向に変位可能に支持する第２の弾性機構と、
   前記第２の対象物に接続されると共に測定子が接続される主軸部を前記第１及び前記第２の方向のそれぞれに直交する第３の方向に変位可能に支持する支持機構と
   を具備し、
   前記支持機構は、前記主軸部が前記第３の方向に沿って延在するように、前記主軸部を支持する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
2. 請求項１に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第２の対象物の中心は、前記第１の対象物の中心と等しい
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
3. 請求項２に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第１の弾性機構は、前記第２の方向で前記第１の対象物の両外側に、前記第１の対象物に連結された第１のヒンジ機構を有する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
4. 請求項３に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第１のヒンジ機構は、前記第１の対象物の前記第２の方向で対向する一対の側面部の一方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第１のヒンジ部と、前記一対の側面部の他方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第２のヒンジ部とを有する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
5. 請求項２に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第２の弾性機構は、前記第１の方向で前記第２の対象物の両外側に、前記第２の対象物に連結された第２のヒンジ機構を有する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
6. 請求項５に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第２のヒンジ機構は、前記第２の対象物の前記第１の方向で対向する一対の側面部の一方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第３のヒンジ部と、前記一対の側面部の他方に連結される１以上のヒンジ要素からなる第４のヒンジ部とを有する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
7. 請求項２に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、さらに、
   前記第１の対象物の前記第１の方向における第１の変位と、前記第２の対象物の前記第２の方向における第２の変位とをそれぞれ検出する第１の検出機構と、
   前記測定子の前記第３の方向における第３の変位を検出する第２の検出機構と
   を具備する三次元座標測定機用プローブヘッド。
8. 請求項７に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第１の検出機構は、前記第１の対象物の中心に中心位置が合わせられたリング状のディスクと、前記ディスクに配置された前記第１の変位を検出する第１のセンサ部と、前記ディスクに配置された前記第２の変位を検出する第２のセンサ部とを有する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
9. 請求項８に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
   前記第１のセンサ部は、前記第１の変位を検出する２つの第１の検出器を有し、
   前記第２のセンサ部は、前記第２の変位を検出する２つの第２の検出器を有し、
   前記２つの第１の検出器は、前記ディスクの中心を通り前記第２の方向に延在する直線上の前記ディスクの中心に対して対称となる位置にそれぞれ配置され、
   前記２つの第２の検出器は、前記ディスクの中心を通り前記第１の方向に延在する直線上の前記ディスクの中心に対して対称となる位置にそれぞれ配置される
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
10. 請求項９に記載の三次元座標測定機用プローブヘッドであって、
    前記支持機構は、前記第３の方向で前記第２の対象物の両外側に配置された２枚のダイアフラムを有し、
    前記第２の検出機構は、前記第２の対象物の中心から前記第３の方向に延在する中心軸上に配置された第３のセンサ部を有する
    三次元座標測定機用プローブヘッド。