JP6613162B2 - 三次元座標測定機用プローブヘッド及び接触検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元座標測定機用プローブヘッド、及び測定対象物との接触を検出するための接触検出方法に関する。

従来、測定対象物の形状や寸法の測定を行なう測定機として、三次元測定機や表面形状測定機等が知られている。例えば測定対象物が載置される測定空間内にｘｙｚの直交座標系が構成される。測定対象物に対して接触検出型のプローブ等を走査させることで、測定対象物の表面の座標値が検出される。検出された座標値をもとに測定対象物の形状等を測定することが可能である。

特許文献１に記載の三次元座標計測装置では、接触式のプローブをｘｙｚの各軸方向に沿って移動させるために、各軸用の３つのアクチュエータが設けられる。ｘｙｚの３軸のうちのいずれか２軸からなる平面上でプローブの先端球が単振動するように、当該２軸に対応する２つのアクチュエータが駆動される。残りの１軸及び単振動の振動方向からなる平面上で先端球が円運動するように、残りのアクチュエータが駆動される。この状態で、先端球を測定対象物に接触させることで、接触と同時に接触方向も検出することが図られている（特許文献１の明細書段落［００１４］−［００２２］図１等）。

特開２００４−１１７２２５号公報

上記のような三次元座標測定機では、接触式のプローブによる接触の検出感度が、接触対象物との接触方向に依存してばらつくと、形状等の測定精度が低下してしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、接触方向に依存しない安定した接触検出を可能とする三次元座標測定機用プローブヘッド、及び接触検知方法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、測定部材と、第１及び第２のダイアフラムと、第１の加振機構と、第２の加振機構とを具備する。
前記測定部材は、第１の方向に延在する。
前記第１及び第２のダイアフラムは、前記測定部材の互いに異なる第１及び第２の位置にそれぞれ設けられ、前記測定部材を前記第１の方向に変位可能に支持する。
前記第１の加振機構は、前記第１の方向に沿って前記測定部材を振動させる。
前記第２の加振機構は、前記測定部材の前記第１及び第２のダイアフラムの間の所定の部分を、前記第１の方向に直交する第２の方向、及び前記第１及び前記第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向の各々に沿って振動させる。

この三次元座標測定機用プローブヘッドでは、第１の加振機構により、第１及び第２のダイアフラムに支持された測定部材が、第１の方向に沿って振動される。また第２の加振機構により、第１及び第２のダイアフラムの間の所定の部分が、第２及び第３の方向の各々に沿って振動される。これにより接触方向に依存しない安定した接触検出が可能となる。

前記測定部材は、前記測定部材の先端に設けられた先端球を有してもよい。この場合、前記第２の加振機構は、前記第１の方向に直交する平面上で前記先端球が円運動するように、前記測定部材の所定の部分を振動させてもよい。
これにより接触方向に依存しない高精度な接触検出が可能となる。

前記所定の部分は、前記第１及び前記第２のダイアフラムの間の中央部分であってもよい。
これにより先端球の動作を精度よく制御することが可能となる。

前記第１及び前記第２の加振機構は、非接触で前記測定部材を振動させてもよい。
これにより高い精度で安定して接触を検出することが可能となる。

前記第２の加振機構は、前記第２の方向に沿って前記所定の部分を振動させる第１の振動印加部と、前記第３の方向に沿って前記所定の部分を振動させる第２の振動印加部とを有してもよい。
これにより第２及び第３の方向の各々に沿って、測定部材の所定の部分を精度よく振動させることが可能となる。

前記第１の加振機構は、第１の周波数で前記測定部材を振動させてもよい。この場合、前記第１及び前記第２の振動印加部は、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で前記所定の部分を振動させてもよい。
これにより高い精度で安定して接触を検出することが可能となる。

前記第１の振動印加部は、正弦波状に前記所定の部分を振動させてもよい。この場合、前記第２の振動印加部は、前記第１の振動印加部による振動に対して位相が９０°異なるように、正弦波状に前記所定の部分を振動させてもよい。
これにより容易に振動子の先端球を円運動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、前記測定部材の前記第１の方向における変位を検出する第１の検出機構と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位を検出する第２の検出機構とを具備してもよい。
第１及び第２の検出機構の検出結果をもとに、高い精度で安定して接触を検出することが可能である。また接触方向を検出することも可能である。

前記第１及び前記第２の検出機構は、非接触で前記測定部材の変位を検出してもよい。
これにより高い精度で安定して接触を検出することが可能となる。

前記第２の検出機構は、前記所定の部分の前記第２の方向における変位を検出する第１の変位センサと、前記所定の部分の前記第３の方向における変位を検出する第２の変位センサとを有してもよい。
これにより第２及び第３の方向における変位を高精度に検出することができる。

前記第１の加振機構は、前記測定部材の測定対象物が接触する端部側から反対の端部側に向けて、前記測定部材に力を作用させた状態で、前記測定部材を振動させてもよい。
これにより第１の方向において、測定部材のバランスを保つことが可能となる。

本発明の一形態に係る接触検出方法は、第１の方向に延在する測定部材の互いに異なる第１及び第２の位置にそれぞれ設けられた第１及び第２のダイアフラムにより、前記測定部材を前記第１の方向に変位可能に支持することを含む。
前記測定部材が、前記第１の方向に沿って振動される。
前記測定部材の前記第１及び第２のダイアフラムの間の所定の部分が、前記第１の方向に直交する第２の方向、及び前記第１及び前記第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向の各々に沿って振動される。
前記測定部材の先端に設けられた先端球が測定対象物に向けて移動される。
前記測定部材の前記第１の方向における変位と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位とをもとに、前記先端球と前記測定対象物との接触が検出される。
この接触検出方法により、接触方向に依存しない安定した接触検出が可能となる。

前記接触の検出ステップは、前記測定部材の前記第１の方向における変位と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位とをもとに、前記測定対象物に対する前記先端球の接触方向を検出してもよい。
本接触検出方法により、高精度に接触方向を検出するこができる。

以上のように、本発明によれば、接触方向に依存しない安定した接触検出が可能となる。なお、ここに記載された効果は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。

本発明の一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。 プローブヘッドの内部の構成例を示す斜視図である。 中心軸を通るＸＺ平面におけるプローブヘッドの断面図である。 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。 Ｘ加振機構を駆動させた場合の動作を示す概略図である。 Ｘ加振機構及びＹ加振機構によるターゲットキューブの加振例を示す図である。 Ｚ変位検出機構による先端球の変位検出の一例を示す模式図である。 Ｘ変位検出機構及びＹ変位検出機構による先端球の変位検出の一例を示す模式図である。 Ｘ変位検出機構及びＹ変位検出機構による変位検出の他の例を示す図である。 Ｚ方向のみに先端球を振動させる場合の問題点を説明するための図である。

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。

［形状測定装置］
図１は、本発明の一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、測定対象物Ｗが載置されるベース面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、門型の構造を有し、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する。

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（図示省略）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１３に備えられたＺ軸駆動機構（図示省略）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。

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が走査される際に、ＸＹＺの各方向の変位量や位置のデータを出力する。

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）３６が着脱可能に取り付けられる。スタイラス３６の先端には、例えば球状の先端球３８が設けられる。測定対象物Ｗに対する先端球３８の接触が検出されることで、コンピュータ２により測定対象物Ｗの形状が測定される。プローブヘッド１００を用いた接触検出方法については、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、測定対象物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及び図３は、本発明の一実施形態に係るプローブヘッド１００の構成例を示す概略図である。図２は、プローブヘッド１００の内部の構成例を示す斜視図である。図３は、プローブヘッド１００の中心軸Ｃを通るＸＺ平面における断面図である。

本実施形態では、Ｚ方向が第１の方向に相当し、Ｘ方向が第１の方向に直交する第２の方向に相当する。またＹ方向が、第１及び第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向に相当する。以下便宜的に、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向、Ｚ方向を上下方向として説明を行う。

プローブヘッド１００は、基体３０と、測定部材３１と、２枚のダイアフラム３２と、垂直加振／検出機構３３と、水平加振／検出機構３４とを有する。基体３０は、中空の円筒形状を有し、Ｚ方向に延在するように配置される。基体３０の上面が、Ｚラム１４の下端に設けられたプローブアダプタ２０に接続される。

測定部材３１は、一方向に延在する棒状の部材であり、主軸３５と、スタイラス３６とを含む。測定部材３１は、Ｚ方向に沿って延在するように、基体３０内の中心軸Ｃの位置に設けられる。主軸３５の上端は、基体３０の上面側に設けられるＺ加振機構４１に接続される。主軸３５の下端には、スタイラス３６が着脱可能に取り付けられる。

図３に示すように、基体３０の下面には、貫通孔３７が形成されている。スタイラス３６は、当該貫通孔３７を通って、主軸３５の下端に接続される。スタイラス３６の下端には、先端球３８が設けられる。

２枚のダイアフラム３２は、測定部材３１の互いに異なる第１の位置Ｐ１及び第２の位置Ｐ２にそれぞれ設けられる。本実施形態では、第１のダイアフラム３２ａが、主軸３５の上端側のＺ加振機構４１との接続部分（第１の位置Ｐ１）に設けられる。また第２のダイアフラム３２ｂが、主軸３５の下端側のスタイラス３６との接続部分（第２の位置Ｐ２）に設けられる。

図３に示すように、本実施形態では、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂの間の距離（第１及び第２の位置Ｐ１及びＰ２間の距離）は、主軸３５の長さと略等しくなる。またスタイラス３６の長さは、主軸３５の略半分の長さに等しい。

図４は、ダイアフラム３２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。ダイアフラム３２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３２の中央には円形状の開口３９が形成され、その周囲には所定の形状を有する複数の開口４０が形成される。

中央の開口３９には、接続部材３２が挿入される。周囲の開口４０は、ダイアフラム３２により適正な弾性力が発揮されるように形成される。図４Ａに示すダイアフラム３２では、Ｌの字に近い形状の開口４０が３つ形成される。図４Ｂに示すダイアフラム３２では、中央の開口３９と同心円となる位置に複数の開口４０が形成される。弾性材料の種類や開口４０の形状等は限定されない。

図３に示すように、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂは、各周縁部が、基体３０の内面に固定される。そして各ダイアフラム３２の中央の開口３９に、測定部材３１が挿入されて取り付けられる。

従って第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂにより、主軸３５及びスタイラス３６が、Ｚ方向に変位可能に支持される。また第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂにより、主軸３５及びスタイラス３６の回転が規制される。

本実施形態では、先端球３８に付加がかかっていない状態では、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂが凹むことなく、水平方向（ＸＹ平面方向）に平行となるように、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂの弾性力等が設定されている。これにより安定した精度の高い接触検出が可能となる。

垂直加振／検出機構３３は、Ｚ加振機構４１と、Ｚ変位検出機構４２とを有する。Ｚ加振機構４１は、ボイスコイルモータとして構成され、永久磁石４３が設けられたヨーク４４と、基体３０の上面に設けられた電磁コイル４５とを有する。図３に示すように、ヨーク４４の下面側が主軸３５の上端に接続される。

電磁コイル４５に電力が供給されると、Ｚ方向に沿ってヨーク４４が振動する。これにともなって測定部材３１も、Ｚ方向に沿って振動する。すなわちＺ加振機構４１により、Ｚ方向に沿って測定部材３１が振動される。ボイスコイルモータの構成により、非接触で、測定部材３１を振動させることが可能である。

Ｚ変位検出機構４２は、基体３０の中心軸Ｃの位置に設けられ、非接触で、Ｚ方向に沿って振動するヨーク４４の変位を検出する。例えばＺ変位検出機構４２として、静電容量型の変位計が用いられるが、これに限定される訳ではない。

Ｚ加振機構４１及びＺ変位検出機構４２は、本実施形態において、第１の加振機構及び第１の検出機構に相当する。Ｚ加振機構４１及びＺ変位機構４２の具体的な構成は限定されず、例えばボイスコイルモータとは別の構成が用いられてもよい。

水平加振／検出機構３４は、ターゲットキューブ４７と、Ｘ加振機構４８と、Ｘ変位検出機構４９と、Ｙ加振機構５０と、Ｙ変位検出機構５１とを有する。ターゲットキューブ４７は、略立方体の形状を有し、主軸３５の中央部分（第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂの間の中央部分）に設けられる。

ターゲットキューブ４７は、６面がＸＹＺの各方向に直交するように設けられる。すなわち上面及び下面はＺ方向と直交し、右面及び左面はＸ方向と直交する。また前面及び後面は、Ｙ方向と直交する。

図３に示すようにＸ加振機構４８は、左面に設けられたコイン形状の永久磁石５２と、これに対向するように基体３０に設けられた電磁コイル５３とを有する。電磁コイル５３に電力が供給されると、Ｘ方向に沿ってターゲットキューブ４７が振動する。すなわちＸ加振機構により、非接触で、主軸３５の中央部分をＸ方向に沿って振動させることができる。

Ｘ変位検出機構４９は、インダクタンス式変位計として構成され、右面に設けられたフェライトコア５４と、これに対向するように基体３０に設けられたインダクタンスコイル５５とを有する。Ｘ変位検出機構４９により、非接触で、Ｘ方向におけるターゲットキューブ４７の変位（主軸３５の中央部分の変位）を検出することができる。

Ｙ加振機構４９及びＹ変位検出機構５０は、Ｘ加振機構４８及びＸ変位検出機構４９と略等しい構成を有し、Ｙ方向で対向して配置される。Ｙ加振機構４９により、非接触で、ターゲットキューブ４７がＹ方向に沿って振動される。またＹ変位検出機構５０により、非接触で、Ｙ方向におけるターゲットキューブ４７の変位が検出される。

Ｘ加振機構４８及びＸ変位検出機構４９は、本実施形態において、第１の振動印加部及び第１の変位センサに相当する。Ｙ加振機構５０及びＹ変位検出機構５１は、本実施形態において、第２の振動印加部及び第２の変位センサに相当する。

またＸ加振機構４８及びＹ加振機構５０により、本実施形態に係る第２の加振機構が構成される。Ｘ変位検出機構４９及びＹ変位検出機構５１により、本実施形態に係る第２の検出機構が構成される。Ｘ加振機構４８、Ｘ変位機構４９、Ｙ加振機構５０、及びＹ変位検出機構５１の具体的な構成は限定されず、任意に設計されてよい。

図５は、Ｘ加振機構４８を駆動させた場合の動作を示す概略図である。Ｘ加振機構４８により、Ｘ方向に沿って、ターゲットキューブ４７に力が作用される。主軸３５の第１のダイアフラム３２ａが設けられる第１の位置Ｐ１と、第２のダイアフラム３２ｂが設けられる第２の位置Ｐ２とを支点として、主軸３５が弓なりに弾性変形する。

例えば、電磁コイル５３と永久磁石５２との間に磁気吸引力を発生させると、ターゲットキューブ４７がＸ方向に沿って右側（Ｘ軸のプラス側）に変位する。これに応じて主軸３５が弾性変形し、スタイラス３６の先端球３８がＸ方向に沿って左側（マイナス側）に変位する。

電磁コイル５３と永久磁石５２との間に磁気斥力を発生させると、ターゲットキューブ４７がＸ方向に沿って左側（マイナス側）に変位する。これに応じてスタイラス３６の先端球３８がＸ方向に沿って右側（プラス側）に変位する。

このようにＸ加振機構４８を駆動させてターゲットキューブ４７を変位させると、その変位の向きと反対側に先端球３８が変位する。先端球３８の変位量は、ターゲットキューブ４７の変位量に対応する。従って電磁コイル５３に供給する電力を制御することで、先端球３８の変位量を制御することができる。

図５に示すように、本実施形態では、支点となる第１及び第２の位置Ｐ１及びＰ２の間の中央部分にターゲットキューブ４７が設けられる。換言すれば、変位させる中央部分に対して、Ｚ方向にて対称となる位置に、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂが設けられる。

これによりＸ加振機構４８による加振力を制御することで、ターゲットキューブ４７の変位を精度よく制御することが可能となる。この結果、先端球３８の変位も高精度に制御可能となる。

またスタイラス３６の長さが主軸３５の略半分の長さであるので、ターゲットキューブ４７と先端球３８との間の略中央に、第２のダイアフラム３２ｂが位置する。従って第２の位置Ｐ２を支点として、ターゲットキューブ４７の変位と先端球３８の変位とが十分に対応する。この点から見ても、先端球３８の変位を高精度に制御することが可能である。

Ｙ加振機構５０によるターゲットキューブ４７の加振についても、同様である。磁気吸引力を発生させると、ターゲットキューブ４７がＹ方向に沿って、前方側（Ｙ軸のマイナス側）に変位する。これに応じて先端球３８がＹ方向に沿って後方側（プラス側）に変位する。磁気斥力を発生させると、ターゲットキューブ４７がＹ方向に沿って後方側（プラス側）に変位する。これに応じて先端球３８がＹ方向に沿って前方側（マイナス側）に変位する。

図６は、Ｘ加振機構４８及びＹ加振機構５０によるターゲットキューブ４７の加振例を示す模式図である。図６に示すように、Ｘ加振機構４８により、Ｘ方向に沿って、ターゲットキューブ４７を正弦波状に振動させる。その振動と同じ周波数で、位相が９０°異なるように、Ｙ加振機構５０によりターゲットキューブ４７を、Ｙ方向に沿って正弦波状に振動させる。これによりターゲットキューブ４７は、ＸＹ平面上で中心軸Ｃを中心として円運動する。これに応じて先端球３８もＸＹ平面上で中心軸Ｃを中心として円運動する。

なおターゲットキューブ４７（先端球３８）の円運動は、Ｘ加振機構４８の電磁コイル５３、及びＹ加振機構５０の電磁コイルの各々に、互いに９０°位相が異なるように正弦波状の電圧を印加することで、簡単に実現可能である。

本実施形態では、Ｚ加振機構４１により、Ｚ方向に沿って、所定の周波数ｆｚ［Ｈｚ］及び振幅Ａｚ［μｍ］にて、先端球３８が正弦波状に振動される。またＸ加振機構４８及びＹ加振機構５０により、互いに同じ周波数ｆｘｙ［Ｈｚ］及び振幅Ａｘｙ［μｍ］にて、円運動するように先端球３８が振動される。

周波数ｆｚ［Ｈｚ］及び振幅Ａｚ［μｍ］は、例えば１０００［Ｈｚ］〜７５０［Ｈｚ］及び１．５［μｍ］〜３［μｍ］の範囲内で定められる。また周波数ｆｘｙ［Ｈｚ］及び振幅Ａｘｙ［μｍ］は、例えば５００［Ｈｚ］〜３００［Ｈｚ］及び３［μｍ］〜５［μｍ］の範囲内で定められる。もちろんこの範囲に限定されず、適宜設定されてよい。

本実施形態では、周波数ｆｚ［Ｈｚ］が、周波数ｆｘｙ［Ｈｚ］よりも大きく設定される。すなわちＺ方向における加振周波数が、Ｘ及びＹ方向の各々における加振周波数よりも大きく設定される。とくに周波数ｆｚ［Ｈｚ］を、周波数ｆｘｙ［Ｈｚ］のルート２倍よりも大きい値に設定することで、Ｚ方向における振動と、ＸＹ平面内での振動（円運動）とが共振してしまうことを抑えることが可能である。これにより高い精度で安定して接触を検出することが可能となる。その他、各方向における固有振動数等をもとに、各加振周波数が設定されてもよい。

なおＺ方向に延在する測定部材３１を高い周波数で振動させることは容易であるので、周波数ｆｚ［Ｈｚ］を、周波数ｆｘｙ［Ｈｚ］よりも大きく設定することも容易に可能である。

上記したようにＺ変位検出機構４２により、Ｚ方向に沿ったヨーク４４の変位が検出可能である。またＸ変位検出機構４９及びＹ変位検出機構５１により、ＸＹ平面上のターゲットキューブ４７の変位が検出可能である。これらの変位は、先端球３８の変位に相当する。すなわちＸＹＺの各変位検出機構により、各方向における先端球３８の変位を検出することが可能である。

ＸＹＺの各変位検出機構により検出される変位の変化、すなわち振動状態の変化をもとに、測定対象物Ｗとの接触及びその接触方向が検出される。典型的には接触方向として、先端球３８が測定対象物Ｗに接触する接触ポイントにおける法線方向が検出される。

本実施形態では、ＸＹＺの各方向における、先端球３８の変位の振幅の減少量Δｘ、Δｙ及びΔｚが算出される。振幅の減少量Δｘ、Δｙ及びΔｚは、各方向における接触による先端球３８の変位の大きさ、すなわち測定対象物Ｗによる先端球３８の押し込み量に相当する。また後に説明するように、各方向において、測定対象物Ｗがどちらの向きから先端球３８に接触しているか、すなわち接触の向きが算出される。

算出された減少量Δｘ、Δｙ及びΔｚと、接触の向きとをもとに、各方向での接触による先端球３８の変位を表す、接触変位ベクトルＸ、Ｙ、及びＺが生成される。振幅の減少量Δｘ、Δｙ及びΔｚが大きくなるほど、接触変位ベクトルＸ、Ｙ、及びＺが大きくなる。

各方向での接触変位ベクトルＸ、Ｙ、及びＺを合成することで、ＸＹＺ空間での接触による先端球３８の変位を表す、接触変位ベクトルＸＹＺが生成される。接触変位ベクトルＸＹＺの大きさ、方向、及び向き大きさをもとに、接触による先端球３８の変位の大きさ（押し込み量）、接触方向、及び接触の向きが算出される。

なお押し込み量は、Δｘ、Δｙ及びΔｚの二乗和平方根（Δｘ²＋Δｙ²＋Δｚ²）^1/2により算出される。例えばコンピュータ２により、Δｘ、Δｙ及びΔｚの二乗和平方根（Δｘ²＋Δｙ²＋Δｚ²）^1/2が所定の閾値よりも大きくなった場合に、接触があると判定される。すなわち測定対象物Ｗとの接触が検出される。当該閾値は限定されず適宜設定されてよい。

以下、具体例を挙げて、押し込み量、接触方向、及び接触の向きの算出について説明する。図７は、先端球３８がＺ方向に沿って測定対象物Ｗに接触する場合を示す模式図である。図７では、Ｚ方向に沿った振動のみが図示されており、ＸＹ平面上の円運動は図示が省略されている。

例えば先端球３８が測定対象物Ｗと接触していない非接触状態の場合には、Ｚ方向に沿って正弦波状に振動する先端球３８の変位が検出される（実線Ｌ１）。先端球３８が測定対象物Ｗに接触すると、先端球３８のＺ方向に沿った変位の振幅Ａｚが小さくなる（破線Ｍ１）。上記したようにΔｘ、Δｙ及びΔｚの二乗和平方根（Δｘ²＋Δｙ²＋Δｚ²）^1/2が所定の閾値を超えると接触が検出される（図７に示す例では、Δｘ＝Δｙ＝０である）。

なお図７の破線Ｍ１に示すように、測定対象物Ｗに接触する側の振幅Ａｚの減少量（図７に示す例では０°から１８０°までの振幅Ａｚの減少量）は、接触しない側の振幅Ａｚの減少量（１８０°から３６０°までの振幅Ａｚの減少量）よりも大きくなる。従ってΔｚとしては、減少量が大きい方の値が用いられる。これにより高精度に接触を検出することが可能となる。

Ｚ方向においては、先端球３８は上方から下方に向けて測定対処物Ｗに接触する。従って接触変位ベクトルＺの向きは、上方向きとなる。またΔｘ＝Δｙ＝０であるので、接触変位ベクトルＺ＝接触変位ベクトルＸＹＺとなる。従って押し込み量、接触方向、及び接触の向きは、Δｚの大きさ、Ｚ方向、及び上方向きとなる。

図８は、先端球３８がｘ方向に沿って測定対象物Ｗに接触する場合を示す模式図である。先端球３８が非接触状態である場合には、Ｘ及びＹ方向において、先端球３８の正弦波状の振動が検出される（実線Ｌ２及びＬ３）。先端球３８が測定対象物Ｗに接触すると、先端球３８のＸ方向に沿った変位の振幅Ａｘが小さくなる（破線Ｍ２）。一方Ｙ方向においては、変位の振幅Ａｙは減少しない。

Δｘ、Δｙ及びΔｚの二乗和平方根（Δｘ²＋Δｙ²＋Δｚ²）^1/2が所定の閾値を超えると接触が検出される（Δｙ＝Δｚ＝０である）。なお減少量Δｘは、減少量が大きい方の値が用いられる。

Ｘ方向における接触の向きは、減少量Δｘが大きい側の振幅の方向（向き）をもとに算出される。図８に示す例では、先端球３８が中心軸Ｃから左側（Ｘ軸のマイナス側）へ振動する場合の減少量Δｘが大きいので、先端球３８の左側に測定対象物Ｗが存在することが検出される。従って接触の向きとして、右向き（Ｘ軸のプラス向き）が算出される。

図８に示すように、Δｙ＝Δｚ＝０であるので、接触変位ベクトルＸ＝接触変位ベクトルＸＹＺとなる。従って押し込み量、接触方向、及び接触の向きは、Δｘの大きさ、Ｘ方向、及び右向きとなる。

先端球３８がＹ方向に沿って測定対象物Ｗに接触する場合も、図８に示す例と同様に、押し込み量、接触方向、及び接触の向きが算出可能である。

図９に示すように、ＸＹ平面上において、斜め４５°の方向で先端球３８が測定対象物Ｗに接触する場合には、Ｘ方向に沿った変位の振幅Ａｘ、及びＹ方向に沿った変位の振幅Ａｙがともに同じ程度減少する（破線Ｍ２及びＭ３）。

Δｘ、Δｙ及びΔｚの二乗和平方根（Δｘ²＋Δｙ²＋Δｚ²）^1/2が所定の閾値を超えると接触が検出される（Δｘ＝Δｙ、Δｚ＝０である）。なお減少量Δｘ及びΔｙは、減少量が大きい方の値が用いられる。

図８に示す例の説明と同様にして、Ｘ及びＹ方向において、押し込み量や接触の向きが算出される。そして図９に示すように、接触変位ベクトルＸ及びＹが設定される。接触変位ベクトルＸ及びＹを合成することで、接触変位ベクトルＸＹＺが生成される。この結果、押し込み量、接触方向、及び接触の向きとして、（Δｘ²＋Δｙ²）^1/2、左斜め４５°に沿う方向、及び右手前向きが算出される。

ＸＹ平面上において、４５°とは異なる角度で、先端球３８が測定対象物Ｗに接触するとする。この場合には、接触角度（接触方向）に応じて、Ｘ方向に沿った変位の振幅Ａｘの減少量Δｘと、Ｙ方向に沿った変位の振幅Ａｙの減少量Δｙとが異なってくる。この場合でも、減少量Δｘ、及びΔｙをもとに、接触変位ベクトルＸ及びＹを設定し、接触変位ベクトルＸＹＺを生成することで、押し込み量、接触方向、及び接触の向きを算出することが可能である。

三次元空間における接触による変位の大きさ、接触方向、及び接触の向きを検出する方法は、上記で説明したのみに限定されない。例えば各方向における振幅の大きさや減少量が、所定の閾値と比較されてもよい。また各方向における振幅の大きさの合計、減少量の合計等が用いられてもよい。また各方向における減少量の割合（比率）をもとに、接触方向等が算出されてもよい。その他、任意のアルゴリズムが採用されてよい。

ここで、先端球３８をＺ方向のみに沿って振動させて測定を行う場合を考察する。例えば図７に示すように、先端球３８がＺ方向に沿って測定対象物Ｗに接触する場合には、振動変位の方向と接触の方向が一致しているため、接触は衝突的であり振動振幅は接触ポイントを変位限界とするために、十分な感度で接触を検出することができる。

しかしながら図１０に示すように、Ｚ方向に延在するスタイラス３６に対して、水平方向から測定対象物Ｗが接触すると、Ｚ方向に振動する先端球３８の振動状態に変化を与える力は、測定対象物Ｗとの間の摩擦力となる。このため接触による振動状態の変化が摩擦状態の影響を受け易く、接触の検出感度が安定しない。すなわちＺ方向のみに振動させる場合には、先端球３８と測定対象物Ｗとの接触に関する感度に方向依存性がでてしまい、接触方向によって測定値に偏りが生じてしまうことが問題となる。

また１軸方向のみの加振型の接触検出センサでは、測定空間における、測定対象物Ｗに対する接触方向を検出することができない。従って測定対象物Ｗとの接触方向をもとに三次元測定機が自律して走査方向を決定する、３Ｄ倣い測定用の接触検出センサとして活用することができなかった。

これに対して、本実施形態に係るプローブヘッド１００では、Ｚ加振機構４１により、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂに支持された測定部材３１が、Ｚ方向に沿って振動される。またＸ加振機構４８及びＹ加振機構５０により、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂの間の中央部分に配置されたターゲットキューブ４７が、Ｘ及びＹ方向の各々に沿って振動される。

これによりＸＹＺの各方向において、測定対象物Ｗに対して衝突的な接触が行われることになり、接触による振動状態の変化を非常に高い感度で検出することが可能となる。すなわち接触方向に依存しない安定した接触検出が可能となる。

図６に示すように、本実施形態では、ＸＹ平面上において先端球３８が円運動するように、ターゲットキューブ４７に振動が加えられる。これにより全方向的に接触の方向依存性を十分に軽減することが可能となる。

また先端球３８と測定対象物Ｗとの接触方向、及び接触の向きを高い精度で安定して検出可能であるので、３Ｄ倣い測定用のプローブヘッドとして活用することが可能である。

また一般的な倣いプローブによる測定では、測定対象面を連続して接触するが、それとは異なり、本プローブヘッド１００では、全方向においてタッピングモードによる周期的な接触となる。これにより先端球３８と測定対象物Ｗとの動摩擦係数の変動や、測定対象物Ｗの表面の粘弾性や吸着力の影響を大幅に軽減することが可能である。すなわちディザー効果を発揮させることが可能となり、非常に高い精度の接触検出を実現することが可能となる。

また各方向において非接触で振動を加えるので、振動の印加時のノイズ発生や外乱等により先端球３８の振動状態が変化してしまうこと等を十分に抑えることが可能である。すなわち測定対象物Ｗとの接触による振動状態の変化を高精度に検出することが可能となり、接触の検出感度を向上させることができる。

さらに、上記した特許文献１に記載のプローブのような構成が用いられる場合には、例えばピエゾアクチュエータ等による加振力が、スタイラス等の被駆動部材の重心に作用しない。この結果、加振力と重心とのオフセットにより、アクチュエータの駆動変位とスタイラスの先端球の変位との位相差が生じ、高い周波数の印加が出来ず、高精度な測定が困難になる。

またアクチュエータの加振による変位の線上に変位計が無く、振動振幅及び接触による振幅の減少量を変位として検出することが出来ず、高精度な３軸の倣い測定に展開することが困難である。さらに、アクチュエータがそのままスタイラスの支持機構を兼ねるため、アクチュエータの加振に伴う発熱が伸びや変形をもたらし、高精度な測定が困難となる。

これに対して本プローブヘッド１００は、主軸３５の上端にＺ加振機構４１が設けられる。また支点となる第１及び第２の位置Ｐ１及びＰ２の間の中央部分にターゲットキューブ４７が設けられる。この結果、先端球３８の変位を高精度に制御可能となる。また上記したように高精度な３軸の倣い測定に展開することも容易である。さらに各加振機構の加振による発熱を原因として変形等もなく、高精度の測定が実現可能である。

＜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を実現することができる。

Ｚ加振機構４１により、Ｚ方向において測定部材３１のバランスが保たれてもよい。例えば比重の大きな材質によるスタイラスや長いスタイラスの使用により、測定部材３１の重量が大きくなる場合がある。このような場合に、Ｚ加振機構４１の電磁力により、上方に向けて測定部材３１に力が作用されてもよい。そしてその状態で、測定部材３１がＺ方向に沿って振動されてもよい。

例えば標準的なスタイラスの使用での加振のための周期的な交番電圧の中央値の電圧に対して、増加重量分に見合ったバイアス電圧を掛けることで、バランスを取ることが可能である。

Ｚ加振機構４１によりバランス機能を発揮させることで、第１及び第２のダイアフラム３２ａ及び３２ｂに過大なたわみが発生してしまうことを防止することが可能となる。またバランスウエイト等が不要となり、部品コストの削減や装置の小型化を図ることができる。なお上方側への向きは、先端球３８側から反対の上端側への向きに相当する。

上記では、ＸＹＺの各方向において、先端球３８が正弦波状に振動された。またＸＹ平面上において、先端球３８が円運動するように振動が加えられた。各方向において先端球をどのように振動させるかは限定されず、適宜設定されてよい。例えばＸＹＺの各方向において、互いに独立した振動が印加されてもよい。正弦波状の振動や円運動等が行われない場合でも、接触方向に依存しない安定した接触検出が実現される。

倣い測定が行われる場合には、倣いの方向に応じて、先端球３８のＺ軸周りの円運動の方向（右回り又は左回り）が任意に選択可能であってもよい。またその選択が、接触方向等をもとに自動的に実行されてもよい。これにより摩擦係数の軽減のみならず、先端球３８の摩耗を軽減させることができる。

例えば図８に示す接触状態のままＹ軸のプラス側にプローブヘッド１００が進む場合には、先端球３８が左回りに回転される。すなわちプローブヘッド１００の進行方向とは反対方向から先端球３８が接触するように回転方向が設定される。これにより測定対象物Ｗと先端球３８との接触時間を短縮することが可能となり、摩耗の軽減を図ることができる。もちろんこれに限定される訳ではない。

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。

また本技術に係るプローブヘッドを、加振型の３Ｄ接触検出センサとして、任意の装置に適用することも可能である。また図１に示すコンピュータの機能の一部または全部が、プローブヘッドに備えられてもよい。

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。

Ｐ１…第１の位置
Ｐ２…第２の位置
１…三次元座標測定機
２…コンピュータ
３０…基体
３１…測定部材
３２ａ…第１のダイアフラム
３２ｂ…第２のダイアフラム
３５…主軸
３６…スタイラス（測定子）
３８…先端球
４１…Ｚ加振機構
４２…Ｚ変位検出機構
４７…ターゲットキューブ
４８…Ｘ加振機構
４９…Ｘ変位検出機構
５０…Ｙ加振機構
５１…Ｙ変位検出機構
１００…プローブヘッド
５００…形状測定装置

Claims (13)

1. 第１の方向に延在する測定部材と、
   前記測定部材の互いに異なる第１及び第２の位置にそれぞれ設けられ、前記測定部材を前記第１の方向に変位可能に支持する第１及び第２のダイアフラムと、
   前記第１の方向に沿って前記測定部材を振動させる第１の加振機構と、
   前記測定部材の前記第１及び第２のダイアフラムの間の所定の部分を、前記第１の方向に直交する第２の方向、及び前記第１及び前記第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向の各々に沿って振動させる第２の加振機構と
   を具備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、
   前記測定部材は、前記測定部材の先端に設けられた先端球を有し、
   前記第２の加振機構は、前記第１の方向に直交する平面上で前記先端球が円運動するように、前記測定部材の所定の部分を振動させる
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
3. 請求項１又は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、
   前記所定の部分は、前記第１及び前記第２のダイアフラムの間の中央部分である
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項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及び前記第２の加振機構は、非接触で前記測定部材を振動させる
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項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の加振機構は、前記第２の方向に沿って前記所定の部分を振動させる第１の振動印加部と、前記第３の方向に沿って前記所定の部分を振動させる第２の振動印加部とを有する
   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１の加振機構は、第１の周波数で前記測定部材を振動させ、
   前記第１及び前記第２の振動印加部は、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で前記所定の部分を振動させる
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
7. 請求項６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の振動印加部は、正弦波状に前記所定の部分を振動させ、
   前記第２の振動印加部は、前記第１の振動印加部による振動に対して位相が９０°異なるように、正弦波状に前記所定の部分を振動させる
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
8. 請求項１から７のうちいずれか１項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、
   前記測定部材の前記第１の方向における変位を検出する第１の検出機構と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位を検出する第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
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及び前記第２の検出機構は、非接触で前記測定部材の変位を検出する
   三次元座標測定機用プローブヘッド。
10. 請求項８又は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、
    前記第２の検出機構は、前記所定の部分の前記第２の方向における変位を検出する第１の変位センサと、前記所定の部分の前記第３の方向における変位を検出する第２の変位センサと有する
    三次元座標測定機用プローブヘッド。
11. 請求項１から１０のうちいずれか１項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の加振機構は、前記測定部材の測定対象物が接触する端部側から反対の端部側に向けて、前記測定部材に力を作用させた状態で、前記測定部材を振動させる
    三次元座標測定機用プローブヘッド。
12. 第１の方向に延在する測定部材の互いに異なる第１及び第２の位置にそれぞれ設けられた第１及び第２のダイアフラムにより、前記測定部材を前記第１の方向に変位可能に支持し、
    前記測定部材を、前記第１の方向に沿って振動させ、
    前記測定部材の前記第１及び第２のダイアフラムの間の所定の部分を、前記第１の方向に直交する第２の方向、及び前記第１及び前記第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向の各々に沿って振動させ、
    前記測定部材の先端に設けられた先端球を測定対象物に向けて移動し、
    前記測定部材の前記第１の方向における変位と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位とをもとに、前記先端球と前記測定対象物との接触を検出する
    接触検出方法。
13. 請求項１２に記載の接触検出方法であって、
    前記接触の検出ステップは、前記測定部材の前記第１の方向における変位と、前記所定の部分の前記第２及び第３の方向の各々における変位とをもとに、前記測定対象物に対する前記先端球の接触方向を検出する
    接触検出方法。