JP6649013B2

JP6649013B2 - プローブヘッド回転機構

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Publication number: JP6649013B2
Application number: JP2015168258A
Authority: JP
Inventors: 良和大山; 草間　隼人; 隼人草間; 松宮　貞行; 貞行松宮; 太田　仁; 仁太田
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: CN106482604A; EP3136045A1; EP3136045B1; CN106482604B; JP2017044615A; US20170059297A1; US10113851B2

Description

本発明は、プローブヘッド回転機構に係り、特に、プローブの姿勢変更のための駆動源で発生する熱のプローブに対する影響を低減することで、プローブの設定位置の誤差を低減可能なプローブヘッド回転機構に関する。

従来、特許文献１に示されるようなＣＮＣ（コンピュータ数値制御）３次元測定機のプローブを姿勢変更させるプローブヘッド回転機構が用いられている。このプローブヘッド回転機構は、３次元測定機におけるスピンドルとプローブとの間に配置され、スピンドルの軸心に対してプローブを傾斜させることが可能とされている。この傾斜機能により、複雑なワーク形状の測定のために、プローブの姿勢を最適化することが可能となっている。

特表平３−５０４２７８号公報

しかしながら、特許文献１で示すプローブヘッド回転機構は、プローブの姿勢変更のためのモータ（駆動源）のモータ本体（駆動源の本体）が、スピンドルの軸心上に配置されている。このため、モータを駆動した際に発生する熱によるモータの熱膨張が直接的にプローブの設定位置の誤差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、プローブの姿勢変更のための駆動源で発生する熱のプローブに対する影響を低減することで、プローブの設定位置の誤差を低減可能とするプローブヘッド回転機構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、３次元測定機におけるスピンドルとプローブとの間に配置されるプローブヘッド回転機構であって、前記スピンドルに支持される本体フレームと、該本体フレームにより前記スピンドルの軸心に対して傾斜可能に支持される回転体と、該本体フレームに支持され該回転体を駆動させる駆動源と、を備え、更に、前記回転体の位置決めにエアシリンダ機構を備え、前記駆動源の本体を前記スピンドルの軸心上から外れて配置し、且つ該駆動源の軸心を該スピンドルの径方向外側に向けたことにより、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、前記駆動源のケーシングを、前記スピンドルよりも径方向外側に突出させるようにしたものである。
本願の請求項３に係る発明は、３次元測定機におけるスピンドルとプローブとの間に配置されるプローブヘッド回転機構であって、前記スピンドルに支持される本体フレームと、該本体フレームにより前記スピンドルの軸心に対して傾斜可能に支持される回転体と、該本体フレームに支持され該回転体を駆動させる駆動源と、を備え、更に、前記回転体の位置決めにエアシリンダ機構を備え、前記駆動源のケーシングを、前記スピンドルよりも径方向外側に突出させるようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、前記駆動源と前記回転体との間の少なくとも一部に、該駆動源から該回転体への熱伝導を緩衝する熱緩衝構造を設けるようにしたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記熱緩衝構造が、空気層を備えるようにしたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記熱緩衝構造が、更に、前記駆動源のケーシングと前記本体フレームとの間に配置され、該駆動源のケーシングを支持する断熱部材を備えるよ
うにしたものである。

本願の請求項７に係る発明は、前記熱緩衝構造が、更に、前記駆動源の駆動軸と前記回転体の回転軸とを連結する軸継手を備えるようにしたものである。

本願の請求項８に係る発明は、更に、前記回転体の回転軸と前記スピンドルの軸心とが直交する配置となるようにしたものである。

本願の請求項９に係る発明は、前記エアシリンダ機構を、前記スピンドルの軸心上の反プローブ側であって、前記回転体に対峙させて配置したものである。

本願の請求項１０に係る発明は、前記エアシリンダ機構が、前記本体フレームに固定されるシリンダ部材と、該シリンダ部材に嵌入し該シリンダ部材に導入される圧縮空気で前記スピンドルの軸方向に移動可能なピストン部材と、を備え、該ピストン部材に、該ピストン部材に連動し該スピンドルの軸方向に移動可能な位置決めピンが設けられ、該位置決めピンの先端部に球が設けられ、且つ前記回転体に、該回転体の所定の傾斜角度に対応して該球に接触可能な一対の円柱部材を備える位置決めブロックが設けられ、該円柱部材の軸方向を該回転体の回転軸の軸方向と同一としたものである。

本願の請求項１１に係る発明は、前記位置決めピンを、前記ピストン部材に設け、ボールスプライン軸受を介して前記本体フレームで支持したものである。

本願の請求項１２に係る発明は、前記回転体の回転軸が、該回転体に設けられた貫通孔に嵌入され、該貫通孔の一方の孔端部に対応して設けられた大径部と、該貫通孔のもう一方の孔端部に対応して配置されるシムとで、該回転軸の軸方向に対する前記回転体の移動を規制し、且つ、該大径部及び該シムの外側にそれぞれ配置される一対の軸受を互いに向い合う方向で与圧をかけて前記本体フレームに固定し、該一対の軸受を介して前記回転軸を該本体フレームで支持するようにしたものである。

本発明によれば、プローブの姿勢変更のための駆動源で発生する熱のプローブに対する影響を低減することで、プローブの設定位置の誤差が低減可能となる。

本発明の第１実施形態に係るプローブヘッド回転機構の一例を示す斜視図図１のプローブヘッド回転機構の下面図図１のプローブヘッド回転機構の模式図（正側面図（Ａ）、左側面図（Ｂ））図１のプローブヘッド回転機構の模式図（正側断面（Ａ）、左側断面図（Ｂ））本発明の第２実施形態に係るプローブヘッド回転機構の一例を示す斜視図図５のプローブヘッド回転機構を駆動した際の斜視図（左９０度動作図（Ａ）、右９０度動作図（Ｂ））図５のプローブヘッド回転機構の斜視図（スピンドルに固定された状態の図（Ａ）、プローブヘッド回転機構単体の図（Ｂ））図５のプローブヘッド回転機構の模式図（正側断面図（Ａ）、左側断面図（Ｂ））

以下、図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態の一例を詳細に説明する。

最初に、３次元測定機の概略について説明する。

３次元測定機は、例えば、ベース上に載せられた被測定物の３次元形状を、ベース上でＸＹＺ方向へ移動可能なスピンドルＳＰにプローブヘッド回転機構１００を介して支持されたプローブＰＢで計測することが可能とされている（即ち、プローブヘッド回転機構１００は、３次元測定機におけるスピンドルＳＰとプローブＰＢとの間に配置されている）。図１では、プローブＰＢに、被測定物に接触して形状を検出するスタイラスＳＴが設けられている（図１では、スピンドルＳＰ、プローブＰＢ、スタイラスＳＴはそれぞれ、破線で概略形状を示している）。本実施形態では、スピンドルＳＰの軸方向Ｏが、鉛直方向（Ｚ方向）の向きで下向きとされているが、水平方向の向きとされていてもよいし、鉛直方向（Ｚ方向）の向きで上向きとされていてもよい。

次に、プローブヘッド回転機構について、図１〜図４（Ａ）、（Ｂ）を用いて以下に説明する。

プローブヘッド回転機構１００は、図１に示す如く、本体フレーム１０１と、回転体１１０と、モータ（駆動源）１２２と、エアシリンダ機構１４２と、を備える。

本体フレーム１０１は、図１に示す如く、スピンドルＳＰに支持されている。本体フレーム１０１は、図４（Ｂ）に示す如く、フランジ体１０２と、一対のフレーム体１０６、１０８と、支持部材１４４と、を備える。フランジ体１０２は、スピンドルＳＰの端部に固定される部材であり、中央に貫通孔１０２Ａが設けられている。貫通孔１０２Ａを挟むように、一対のフレーム体１０６、１０８がフランジ体１０２の一方の側面に固定されている。一対のフレーム体１０６、１０８には、貫通孔が設けられており、その内側に軸受（例えば、組合せアンギュラ軸受）ＢＲがそれぞれ配置されている。そして、一対のフレーム体１０６、１０８は、軸受ＢＲを介して回転軸１１８（後述）をスピンドルＳＰの軸方向Ｏと直交するように回転可能に支持している。また、フランジ体１０２は、図３（Ａ）に示す如く、もう一方の側面に筒形状の支持部材１４４を支持している。なお、一対のフレーム体１０６、１０８を覆うように、本体カバー１０４が設けられている。

回転体１１０は、図１に示す如く、本体フレーム１０１によりスピンドルＳＰの軸心Ｏに対して傾斜可能に支持されている。つまり、スピンドルＳＰの軸心Ｏと回転体１１０に支持されるプローブＰＢの軸心Ｑとは、同一方向となりうる構成である。同時に、スピンドルＳＰの軸心Ｏと、回転軸１１８の軸心Ｐとは直交する構成である。回転体１１０は、図４（Ａ）に示す如く、基部１１２と、ステム部１１４と、取付部１１６と、を一体的に備える。基部１１２には、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、貫通孔１１２Ａが設けられており、その孔端部１１２Ｂ、１１２Ｃはその間にくる貫通孔１１２Ａの部分に比べ、内径が大きくされている。そして、貫通孔１１２Ａの中心軸（嵌入される回転軸１１８の軸心Ｐ）から等距離となるように３つの側面１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１２Ｆが形成されている。本実施形態では、プローブＰＢをスピンドルＳＰの軸心Ｏに対して、９０度、０度、−９０度の傾斜で固定させるために、側面１１２Ｄと側面１１２Ｅ、側面１１２Ｅと側面１１２Ｆがそれぞれ直交する形状となっている。そして、この３つの側面１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１２Ｆに位置決めブロック１３０がそれぞれ、配置されている。このように貫通孔１１２Ａを囲む三方には、側面１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１２Ｆが設けられるが、もう一方にはステム部１１４が一体的に設けられている。そして、ステム部１１４の先端には取付部１１６が一体的に設けられている。取付部１１６には、プローブＰＢが取り付けられる。

図４（Ｂ）に示す如く、貫通孔１１２Ａには、回転軸１１８が嵌入され固定される。回転軸１１８は、軸対称の棒状部材であり、連結部１１８Ａと、螺合部１１８Ｂ、１１８Ｈと、支持部１１８Ｃ、１１８Ｇと、大径部１１８Ｄと、嵌入部１１８Ｅと、押圧部１１８Ｆと、を一体的に備える。

連結部１１８Ａは、図４（Ｂ）に示す如く、軸継手１２０を介してモータ１２２のモータ軸（駆動軸）に連結される。螺合部１１８Ｂ、１１８Ｈはそれぞれ、ナットＮＴと螺合する部分である。支持部１１８Ｃ、１１８Ｇはそれぞれ、軸受ＢＲに支持される部分である。大径部１１８Ｄは、回転体１１０の孔端部１１２Ｂに対応する位置に設けられており、嵌入部１１８Ｅよりも大径化されている。押圧部１１８Ｆは、孔端部１１２Ｃに対応する位置に設けられており、嵌入部１１８Ｅよりも小径化されている。

図４（Ｂ）に示す如く、押圧部１１８Ｆには、断面が円形のシムＣＭ１と断面が四角形のシムＣＭ２とが配置される（つまり、シムＣＭ１、ＣＭ２は、回転体１１０の孔端部１１２Ｃに対応する位置に配置されている）。このため、シムＣＭ１、ＣＭ２に外側から力（大径部１１８Ｄに向かう力）を加えることで、回転軸１１８の軸方向Ｐに対する回転体１１０の移動を規制することができる。このシムＣＭ１、ＣＭ２は、フレーム体１０８に配置され支持部１１８Ｇを支持する軸受ＢＲの内輪から力を受ける構成となっている。軸受ＢＲの内輪は、螺合部１１８Ｈに螺合するナットＮＴからワッシャＷＳを介して力を受ける構成となっている。つまり、シムＣＭ１、ＣＭ２にかかる力は、ナットＮＴの螺合状態で調整することができる。

また、図４（Ｂ）に示す如く、支持部１１８Ｇを支持する軸受ＢＲの外輪も、図示しないねじなどで、フレーム体１０８に押圧され固定されている。一方、大径部１１８Ｄの外側に配置される軸受ＢＲの内輪も、螺合部１１８Ｂに螺合するナットＮＴからワッシャＷＳを介して力を受ける構成となっている。そして、支持部１１８Ｃを支持する軸受ＢＲの外輪も、図示しないねじなどで、フレーム体１０６に押圧され固定されている。即ち、大径部１１８Ｄ及びシムＣＭ１、ＣＭ２の外側にそれぞれ配置される一対の軸受ＢＲを互いに向かう方向でナットＮＴにより与圧（外側からの与圧）をかけて前記本体フレーム１０１に固定している。そして、一対の軸受ＢＲを介して回転軸１１８を本体フレーム１０１で支持している。

図４（Ｂ）に示す如く、螺合部１１８Ｈに螺合するナットＮＴにより、例えば非円形形状の回転板１３８が回転軸１１８に非対称に固定されている。ここで、Ｘ方向で回転板１３８とフレーム体１０８との間に近接センサ１４０が配置されている。このとき、例えば近接センサ１４０に対して回転板１３８が最も近接する回転軸１１８の回転角を、位置決めブロック１３０のそれぞれの位置に対応させておく。こうすることで、近接センサ１４０による回転板１３８の検出がなされ、回転体１１０の位置決めブロック１３０で位置決めすべき傾斜角度を検出することが可能となる。なお、近接センサ１４０は、ロータリーエンコーダを構成することで、回転体１１０の傾斜角度を直接的に検出してもよい。

モータ１２２は、図１に示す如く、本体フレーム１０１に支持され回転体１１０を駆動させる。モータ１２２は、モータケーシング（駆動源のケーシング）１２４と、モータ本体（駆動源の本体）１２５と、（図示せぬ）モータ軸と、を備える。モータケーシング１２４は、モータ本体１２５を収納しており、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示す如く、スピンドルＳＰよりも径方向外側に突出している。

また、図４（Ｂ）に示す如く、モータケーシング１２４は、本体カバー１０４に支持された円環形状の断熱部材１２６と、フレーム体１０６上に配置された円環形状の断熱部材１２８と、で支持されている。即ち、モータ１２２と回転体１１０との間に、モータ１２２から回転体１１０への熱伝導を緩衝する熱緩衝構造ＨＢが設けられている構成といえる。具体的には、熱緩衝構造ＨＢは、モータケーシング１２４と本体フレーム１０１との間に配置され、モータケーシング１２４を支持する断熱部材１２６、１２８を備える構成である。断熱部材１２６、１２８としては、熱伝導率の低い金属やセラミックスや樹脂などで構成することができる。また、フレーム体１０６とモータケーシング１２４との間には、空気層ＡＲが設けられている。空気層ＡＲは断熱性能が樹脂などと比べても高い。即ち、熱緩衝構造ＨＢは空気層ＡＲを備える構成ともいえる。

モータ本体１２５は、モータ１２２の図示せぬロータ及びステータを備えている。ロータにはモータ軸が連結されており、モータ軸は軸継手１２０で回転軸１１８に連結されている。即ち、モータ本体１２５は、スピンドルＳＰの軸心Ｏ上から外れて配置されている。そして、モータ１２２の軸心（回転軸１１８の軸心Ｐ）は、スピンドルＳＰの径方向外側に向けられている状態である。ここで、軸継手１２０は、モータ軸や回転軸１１８よりも径が大きく、且つ表面に複数の凹凸を有する。このため、軸継手１２０において、熱発散の効果を奏することが可能である（即ち、熱緩衝構造ＨＢは、モータ１２２のモータ軸と回転体１１０の回転軸１１８とを接続する軸継手１２０を備える構成ともいえる）。

位置決めブロック１３０は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、基部材１３２と、円柱部材（軸、ころとも称される）１３４と、を備える。基部材１３２は、表面に凹部１３２Ａ（図４（Ａ））を備え、裏面が平坦な形状とされている。この裏面が側面１１２Ｄ（１１２Ｅ、１１２Ｆ）と当接するように配置され、表面の凹部１３２Ａに一対の円柱部材１３４が配置されている（即ち、回転体１１０に、回転体１１０の所定の傾斜角度に対応して一対の円柱部材１３４を備える位置決めブロック１３０が設けられている構成である）。そして、一対の円柱部材１３４の軸方向は、回転体１１０の回転軸１１８の軸方向Ｐと同一とされている。なお、３つの位置決めブロック１３０は、図２、図３（Ｂ）に示す如く、位置決めピン１５０（後述）が一対の円柱部材１３４に当接可能なように開口１３６Ａを設けた１つのブロックカバー１３６で、外周が覆われている。このため、このブロックカバー１３６により、位置決めブロック１３０に対する防塵効果や脱落防止効果などの効果を奏することができる。

エアシリンダ機構１４２は、図１に示す如く、支持部材１４４に支持されている（つまり、エアシリンダ機構１４２は、スピンドルＳＰの軸心Ｏ上の反プローブ側であって、回転体１１０に対峙して配置されている）。エアシリンダ機構１４２は、シリンダ部材１４６と、ピストン部材１４８（図４（Ａ）、（Ｂ））と、を備える。シリンダ部材１４６は、本体フレーム１０１の支持部材１４４に固定されている。シリンダ部材１４６には、ピストン部材１４８を移動させるための圧縮空気の導入部分であるエア継手１４６Ａが設けられている。ピストン部材１４８は、シリンダ部材１４６に嵌入しシリンダ部材１４６に導入される圧縮空気でスピンドルＳＰの軸方向Ｏに移動可能とされている。ピストン部材１４８の後端部には、コイルばね１５４（図４（Ａ）、（Ｂ））が配置されている。このため、圧縮空気が導入された状態になると、コイルばね１５４が圧縮され、ピストン部材１４８は＋Ｚ方向に移動する。圧縮空気が導入されない状態になると、コイルばね１５４によりピストン部材１４８が−Ｚ方向に移動する構成となっている。このコイルばね１５４により、被測定物の測定中の加減速で生じるモーメントでプローブＰＢの設定位置が変化することを防止している。また、シリンダ部材１４６には、スピンドルＳＰの軸心Ｏに沿って貫通孔が設けられている。その貫通孔には、ピストン部材１４８の前端部に設けられた位置決めピン１５０が配置されている。即ち、ピストン部材１４８に、ピストン部材１４８に連動しスピンドルＳＰの軸方向Ｏに移動可能な位置決めピン１５０が設けられている構成である。なお、位置決め機構は、位置決めブロック１３０と、エアシリンダ機構１４２と、位置決めピン１５０と、を備える。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、位置決めピン１５０はロッド部１５０Ａと、保持部１５０Ｂと、球１５０Ｃと、を備える。ロッド部１５０Ａは、ピストン部材１４８に連結されており、スピンドルＳＰの軸方向Ｏで直列に並んだボールスプライン軸受ＢＳを介して、支持部材１４４に支持されている（つまり、位置決めピン１５０は、ピストン部材１４８に設けられ、ボールスプライン軸受ＢＳを介して本体フレーム１０１に支持されている）。保持部１５０Ｂは、ロッド部１５０Ａの先端に設けられた部材であり、球１５０Ｃを保持固定している（つまり、位置決めピン１５０の先端部に球１５０Ｃが設けられている構成である）。球１５０Ｃは、ピストン部材１４８の移動に伴い、位置決めブロック１３０の一対の円柱部材１３４と接触と離間を行う（つまり、プローブヘッド回転機構１００は、回転体１１０の位置決めにエアシリンダ機構１４２を備えている構成である）。

また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、ピストン部材１４８の後端部には、棒部材１５２が一体的に設けられている。そして、シリンダ部材１４６の後端面には貫通孔が設けられており、そこを棒部材１５２が通過する構成となっている。シリンダ部材１４６の両側面には、コの字形状のセンサ支持部材１５６の端部がそれぞれ固定されている。センサ支持部材１５６には、スピンドルＳＰの軸方向Ｏに移動する棒部材１５２の位置を検出するファイバーセンサ１５８、１６０が固定されている。ファイバーセンサ１５８はファイバーセンサ１６０よりもシリンダ部材１４６の後端面から離れて配置されている。例えば、ファイバーセンサ１５８、１６０で棒部材１５２を検出した際（具体的には、ファイバーセンサ１５８、１６０が棒部材１５２で遮蔽された際）には、球１５０Ｃが十分に退避した状態となる。これにより、回転体１１０の傾斜姿勢が変更可能な状態であることを判断できるようにしている。また、ファイバーセンサ１５８、１６０で棒部材１５２を検出しない際には、球１５０Ｃが十分に位置決めブロック１３０に押し込まれた状態となる。これにより、回転体１１０の傾斜姿勢が変更不可能な状態であることを判断できるようにしている。

次に、プローブヘッド回転機構１００の動作について、説明する。ここでは、位置決めピン１５０が十分に位置決めブロック１３０に押し込まれた状態と仮定し、回転体１１０を０度の状態から９０度傾斜させることを想定する。

まず、エア継手１４６Ａから圧縮空気をシリンダ部材１４６内部に供給し、シリンダ部材１４６を＋Ｚ方向に移動させる。そして、棒部材１５２の存在を２つのファイバーセンサ１５８、１６０で検出した段階で、モータ１２２を駆動させる。

モータ１２２の駆動により回転板１３８が回転し、近接センサ１４０が９０度の傾斜角度を検知した段階で、モータ１２２を停止させる。

そして、エア継手１４６Ａへの圧縮空気の供給を停止して、圧縮空気のリークをし、シリンダ部材１４６内部を減圧させる。

すると、コイルばね１５４の力で、シリンダ部材１４６が−Ｚ方向に移動する。そして、棒部材１５２の存在を２つのファイバーセンサ１５８、１６０が検出しなくなった段階で、位置決めピン１５０による回転体１１０の傾斜角度設定が完了となる。

このように、本実施形態のプローブヘッド回転機構１００は、１軸（回転軸１１８）周りの傾斜を可能とする機構とその位置決め機構という簡素な構造であるので、背景技術に示したプローブヘッド回転機構に比べ、低コストで製造することができる。つまり、測定領域が従来よりも限定されたものであれば、背景技術に示したプローブヘッド回転機構の代替として使用でき、測定に関わる費用を従来よりも低く抑えることが可能となる。

また、本実施形態では、モータ本体１２５がスピンドルＳＰの軸心Ｏ上から外れて配置されている。このため、モータ１２２の発熱によるプローブＰＢの軸方向Ｑにおける（熱膨張による）位置変動を低減することができる。そして、径方向外側にモータ１２２の軸心が向いていることから、モータ１２２の熱を径方向外側に放熱することが容易である。同時に、モータ１２２を交換してもプローブＰＢの位置を変化させないので、プローブＰＢの設定位置の演算も容易である。なお、これに限らず、例えば駆動源の軸心がスピンドルＳＰの径方向外側に向けられていなくてもよい。

また、本実施形態では、モータケーシング１２４が、スピンドルＳＰよりも径方向外側に突出している。つまり、モータケーシング１２４でモータ１２２の熱をスピンドルＳＰの外部に熱を発散させることが容易であり、スピンドルＳＰの軸心Ｏに伝わる熱を更に低減することができる。即ち、熱によるプローブＰＢの軸方向Ｑにおける位置変動を更に低減することができる。なお、これに限らず、モータケーシングが、スピンドルＳＰよりも径方向内側に存在してもよい。

また、本実施形態では、モータ１２２と回転体１１０との間に、モータ１２２から回転体１１０への熱伝導を緩衝する熱緩衝構造ＨＢが設けられている。この熱緩衝構造ＨＢとしては、例えば、空気層ＡＲや、断熱部材１２６、１２８や、軸継手１２０などを備えている。このため、モータ１２２で生じる熱が熱緩衝構造ＨＢで緩衝されることにより、結果的に、スピンドルＳＰの軸心Ｏに伝わる熱を一層低減することができる。即ち、熱によるプローブＰＢの軸方向Ｑにおける位置変動をより一層に低減することができる。なお、これに限らず、モータと回転体との間の少なくとも一部に、熱緩衝構造ＨＢが設けられていてもよい。そして、熱緩衝構造ＨＢが、必ずしも空気層ＡＲや、断熱部材や、軸継手などを含む必要はなく、それ以外の要素を含んでもよい。あるいは、熱緩衝構造ＨＢがなくてもよい。

また、本実施形態では、更に、回転体１１０の回転軸１１８とスピンドルＳＰの軸心Ｏとが直交する配置とされている。このため、プローブＰＢの軸心ＱとスピンドルＳＰの軸心Ｏとの一致が容易である。即ち、プローブＰＢを傾斜させても、プローブＰＢの先端位置の算出が容易である。なお、これに限らず、回転体の回転軸とスピンドルＳＰの軸心Ｏとが直交する配置でなくてもよい。

また、本実施形態では、更に、回転体１１０の位置決めにエアシリンダ機構１４２を備えている。このため、エアシリンダの動作では原理的に発熱がなく、熱による位置誤差を防止することができる。なお、圧縮空気は通常、３次元測定機周辺にも配管が供給されているので、圧縮空気の配管の引き回しや使用も容易である。なお、これに限らず、回転体の位置決めにエアシリンダ機構を備えていなくてもよい。

また、本実施形態では、エアシリンダ機構１４２が、スピンドルＳＰの軸心Ｏ上の反プローブ側であって、回転体１１０に対峙して配置されている。このため、位置決めピン１５０及びエアシリンダ機構１４２を備える位置決め機構の大径化及び重量の増大を防止できる。つまり、プローブヘッド回転機構１００の大径化及び重量の増大を防止できることから、プローブヘッド回転機構１００の計測対象となる被測定物を増大させることが可能である。そして、エアシリンダ機構１４２による回転体１１０の位置決めにかかる押圧力をスピンドルＳＰの軸方向Ｏのみに限定されるので、仮に位置決めの際にプローブＰＢの変位が生じてもその方向のみの補正で対応でき、高い計測精度を保つことができる。なお、これに限らず、エアシリンダ機構が、スピンドルＳＰの軸心Ｏ上の反プローブ側に配置されていなくてもよい。

また、本実施形態では、球１５０Ｃを先端に備える位置決めピン１５０と、一対の円柱部材１３４を備える位置決めブロック１３０とで、回転体１１０の位置決めがなされる。つまり、位置決めが位置決めブロック１３０の一対の円柱部材１３４と位置決めピン１５０の球１５０Ｃとの接触によりなされるので、低コストで位置決めのための機構を構成できる。このとき、円柱部材１３４の軸方向が回転軸１１８の軸方向Ｐと同一とされている。このため、一対の円柱部材１３４による球１５０Ｃの移動規制により、位置決めブロック１３０で設定される傾斜角度で、回転体１１０の高い位置決め再現性を実現することができる。なお、これに限らず、位置決めブロックに球が配置され、位置決めピンに一対の円柱部材が配置されていてもよい。

また、本実施形態では、位置決めピン１５０がボールスプライン軸受ＢＳを介して本体フレーム１０１に支持されている。このため、位置決めピン１５０の移動がなされても球１５０Ｃの（スピンドルＳＰの）軸心Ｏ上からの位置誤差を低減できるので、位置決めピン１５０の移動を高い精度で実現できる。なお、ボールスプライン軸受ＢＳに位置決めピン１５０が支持された際には軸周りの回転が規制されるが、位置決めブロック１３０と係合する部材が回転対称な形状の球１５０Ｃである。このため、位置決めピン１５０とボールスプライン軸受ＢＳとの組み合わせの整合がよく、位置決めピン１５０の取付・調整を容易に行うことができる。なお、これに限らず、位置決めピンがボールスプライン軸受ＢＳでない軸受を介して本体フレームに支持されていてもよい。

また、本実施形態では、回転軸１１８は、大径部１１８ＤとシムＣＭ１、ＣＭ２とで、回転軸１１８の軸方向Ｐに対する回転体１１０の移動を規制している。同時に、一対の軸受ＢＲを互いに向かう方向で与圧をかけて本体フレーム１０１に固定し、一対の軸受ＢＲを介して回転軸１１８を本体フレーム１０１で支持している。しかも、軸受ＢＲは、組合せアンギュラ軸受であり、両方向のアキシャル荷重とラジアル荷重を負荷することができるため、軸受ＢＲでシムＣＭ１、ＣＭ２を押圧してもがたを最小とすることができる。このため、回転体１１０の傾斜角度変化に伴う回転軸１１８の軸心Ｐに対する位置変動及び回転軸１１８の軸方向Ｐへの位置変動（ラジアル方向のがた）を極めて低減することができる。つまり、回転体１１０の傾斜によって生じる回転体１１０の位置誤差を低減することができる。このとき、位置決めピン１５０がボールスプライン軸受ＢＳで支持されているので、回転体１１０の傾斜角度を決定した際には、回転軸１１８のラジアル方向及びスラスト方向のがたを排除でき、回転体１１０の位置誤差を低減することができる。なお、回転体１１０と回転軸１１８とが別体なので、回転軸１１８の形状精度をより高く保つことができ、更に、回転体１１０の位置誤差を低減することができる。なお、回転体と回転軸と本体フレームとの取付に必要な部材配置と構成はこれに限られない。

即ち、本実施形態では、プローブＰＢの姿勢変更のためのモータ１２２で発生する熱のプローブＰＢに対する影響を低減することで、プローブＰＢの設定位置の誤差が低減可能である。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記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、プローブヘッド回転機構１００が直接的にプローブＰＢを支持していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５〜図８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実施形態とは主にプローブヘッド回転機構によるプローブの支持形態や位置決め機構などが異なるだけなので、プローブヘッド回転機構によるプローブの支持形態や位置決め機構などに係る構成以外は、基本的に符号上位１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５に示す如く、スピンドルＳＰは水平方向（Ｙ方向）を向いており、スピンドルＳＰの軸方向ＯはＹ方向と同一とされている。プローブヘッド回転機構２００は、プローブヘッド回転機構ＰＨを介して、プローブＰＢを支持している。プローブＰＢは、非接触式のレーザプローブである（例えば、重さは５００ｇ程度）。プローブＰＢは、３方向から被測定物に投影するラインレーザと、そのレーザを検出する３つの撮像素子ＩＳと、を備える。このため、このプローブＰＢは、１つのラインレーザと１つの撮像素子を備えるレーザプローブに比べて、プローブＰＢの姿勢変更数を少なくして被測定物の３次元形状を測定することができる。プローブヘッド回転機構ＰＨは、プローブヘッド回転機構２００とは異なり、２つの矢印で示すように２軸方向に回転可能となっている。ここでは、プローブヘッド回転機構ＰＨが、２軸方向へモータ駆動される構成となっている（例えば、重さは１ｋｇ未満）が、手動で回転可能となっていてもよい。

図７（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、プローブヘッド回転機構２００において、位置決め機構を構成する位置決めブロック２３０は、側面が傾斜している凹部２３２とされている形状である。そして、位置決めピン２５０は、凹部２３２に丁度嵌合可能な楔形状の端部２５０Ｂをロッド部２５０Ａの先端に備えている。なお、モータ２２２は、フレーム体２０６に一体的に設けられた支持部２２８で、断熱部材２２６を介して支持されている。

本実施形態では、図５等に示す如く、プローブヘッド回転機構ＰＨとは異なり、モータ本体２２５がスピンドルＳＰの軸心Ｏ上から外れて配置され、しかもモータケーシング２２４がスピンドルＳＰよりも径方向外側に突出している。このため、プローブヘッド回転機構２００は、プローブヘッド回転機構ＰＨに内蔵されるモータよりも、大型のモータ２２２を使用可能である。つまり、プローブヘッド回転機構ＰＨを直列に２つ以上接続して用いることがモータのトルク上不可能な場合でも、プローブヘッド回転機構２００では十分に大きなトルクを持つモータ２２２を用いることで後段に連結されるプローブヘッド回転機構ＰＨやプローブＰＢを傾斜させることができる。具体的には、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、プローブヘッド回転機構２００で回転体２１０を傾斜させることで、傾斜していない初期状態からプローブＰＢを１８０度反対側にまで傾斜させることが可能である。即ち、実使用上プローブヘッド回転機構ＰＨとの組合せを実現でき、従来では測定が行うことができなかった領域の測定が可能となり、３次元測定機における測定の自由度を増すことができる。これにより、被測定物の測定対象領域が、かなり奥まった部分（例えば、車のボディの内側など）であっても、その部分の３次元形状を測定することが可能となる。なお、仮に、プローブヘッド回転機構２００に更にプローブヘッド回転機構２００を追加接続するとしても、更に大きなトルクを得るために、根元にくるプローブヘッド回転機構２００のモータ２２２をより大きなモータ２２２に容易に交換して実現することができる。

また、上記実施形態では、プローブヘッド回転機構１００、２００の回転体１１０、２１０は、０度、−９０度、＋９０度の３箇所の傾斜角度でのみ位置決めされていたが、本発明はこれに限定されず、２箇所の傾斜角度でのみ、あるいは、４箇所以上の傾斜角度で位置決めされてもよい。その際には、必ずしも傾斜角度が等間隔となる必要はなく任意の傾斜角度としてよい。

また、上記実施形態では、プローブヘッド回転機構１００、２００は１軸（回転軸１１８、２１８）周りで傾斜可能な構成であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明のプローブヘッド回転機構は、プローブヘッド回転機構ＰＨのような２軸周りで傾斜可能とされた構成であってもよい。

また、上記実施形態では、駆動源がモータであったが、本発明はこれに限定されず、駆動源がエアシリンダであってもよい。本発明のプローブヘッド回転機構は、プローブヘッド回転機構ＰＨのような２軸周りで傾斜可能とされた構成であってもよい。

また、上記実施形態では、位置決めピンの先端が球形状（楔形状）のとき、位置決めブロックが一対の円柱形状（凹部形状）を備えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、位置決めピンの先端が球形状のとき、位置決めブロックが凹部形状や円錐形状でもよい。

本発明は、３次元測定機のプローブの姿勢変更させるプローブヘッド回転機構に広く適用することができる。

１００、２００、ＰＨ…プローブヘッド回転機構
１０１、２０１…本体フレーム
１０２、２０２…フランジ体
１０２Ａ、１１２Ａ、２０２Ａ、２１２Ａ…貫通孔
１０４、２０４…本体カバー
１０６、１０８、２０６、２０８…フレーム体
１１０、２１０…回転体
１１２、２１２…基部
１１２Ｂ、１１２Ｃ、２１２Ｂ、２１２Ｃ…孔端部
１１２Ｄ、１１２Ｅ、１１２Ｆ、２１２Ｄ、２１２Ｅ、２１２Ｆ…側面
１１４、２１４…ステム部
１１６、２１６…取付部
１１８、２１８…回転軸
１１８Ａ、２１８Ａ…連結部
１１８Ｂ、１１８Ｈ、２１８Ｂ、２１８Ｈ…螺合部
１１８Ｃ、１１８Ｇ、２１８Ｃ、２１８Ｇ、２２８…支持部
１１８Ｄ、２１８Ｄ…大径部
１１８Ｅ、２１８Ｅ…嵌入部
１１８Ｆ、２１８Ｆ…押圧部
１２０、２２０…軸継手
１２２、２２２…モータ
１２４、２２４…モータケーシング
１２５、２２５…モータ本体
１２６、１２８、２２６…断熱部材
１３０、２３０…位置決めブロック
１３２…基部材
１３２Ａ、２３２…凹部
１３４…円柱部材
１３６…ブロックカバー
１３６Ａ…開口
１３８、２３８…回転板
１４０、２４０…近接センサ
１４２、２４２…エアシリンダ機構
１４４、２４４…支持部材
１４６、２４６…シリンダ部材
１４６Ａ、２４６Ａ…エア継手
１４８、２４８…ピストン部材
１５０、２５０…位置決めピン
１５０Ａ、２５０Ａ…ロッド部
１５０Ｂ…保持部
１５０Ｃ…球
１５２、２５２…棒部材
１５４、２５４…コイルばね
１５６、２５６…センサ支持部材
１５８、１６０、２５８、２６０…ファイバーセンサ
２５０Ｂ…端部
ＡＲ…空気層
ＢＳ…ボールスプライン軸受
ＢＲ…軸受
ＣＭ１、ＣＭ２…シム
ＨＢ…熱緩衝構造
ＩＳ…撮像素子
ＮＴ…ナット
Ｏ…スピンドルの軸心及び軸方向
Ｐ…回転軸の軸心及び軸方向
ＰＢ…プローブ
Ｑ…プローブの軸心及び軸方向
ＳＰ…スピンドル
ＳＴ…スタイラス
ＷＳ…ワッシャ

Claims

３次元測定機におけるスピンドルとプローブとの間に配置されるプローブヘッド回転機構であって、
前記スピンドルに支持される本体フレームと、該本体フレームにより前記スピンドルの軸心に対して傾斜可能に支持される回転体と、該本体フレームに支持され該回転体を駆動させる駆動源と、を備え、更に、
前記回転体の位置決めにエアシリンダ機構を備え、
前記駆動源の本体は前記スピンドルの軸心上から外れて配置され、且つ該駆動源の軸心は該スピンドルの径方向外側に向けられていることを特徴とするプローブヘッド回転機構。
前記駆動源のケーシングは、前記スピンドルよりも径方向外側に突出していることを特徴とする請求項１に記載のプローブヘッド回転機構。
３次元測定機におけるスピンドルとプローブとの間に配置されるプローブヘッド回転機構であって、
前記スピンドルに支持される本体フレームと、該本体フレームにより前記スピンドルの軸心に対して傾斜可能に支持される回転体と、該本体フレームに支持され該回転体を駆動させる駆動源と、を備え、更に、
前記回転体の位置決めにエアシリンダ機構を備え、
前記駆動源のケーシングは、前記スピンドルよりも径方向外側に突出していることを特徴とするプローブヘッド回転機構。
前記駆動源と前記回転体との間の少なくとも一部に、該駆動源から該回転体への熱伝導を緩衝する熱緩衝構造が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプローブヘッド回転機構。
前記熱緩衝構造は、空気層を備えることを特徴とする請求項４に記載のプローブヘッド回転機構。
前記熱緩衝構造は、更に、前記駆動源のケーシングと前記本体フレームとの間に配置され、該駆動源のケーシングを支持する断熱部材を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のプローブヘッド回転機構。
前記熱緩衝構造は、更に、前記駆動源の駆動軸と前記回転体の回転軸とを連結する軸継手を備えることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のプローブヘッド回転機構。
更に、前記回転体の回転軸と前記スピンドルの軸心とが直交する配置とされていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のプローブヘッド回転機構。
前記エアシリンダ機構は、前記スピンドルの軸心上の反プローブ側であって、前記回転体に対峙して配置されていることを特徴とする請求項８に記載のプローブヘッド回転機構。
前記エアシリンダ機構は、前記本体フレームに固定されるシリンダ部材と、該シリンダ部材に嵌入し該シリンダ部材に導入される圧縮空気で前記スピンドルの軸方向に移動可能なピストン部材と、を備え、
該ピストン部材に、該ピストン部材に連動し該スピンドルの軸方向に移動可能な位置決めピンが設けられ、該位置決めピンの先端部に球が設けられ、
且つ前記回転体に、該回転体の所定の傾斜角度に対応して該球に接触可能な一対の円柱部材を備える位置決めブロックが設けられ、該円柱部材の軸方向が該回転体の回転軸の軸方向と同一とされていることを特徴とする請求項９に記載のプローブヘッド回転機構。
前記位置決めピンは、前記ピストン部材に設けられ、ボールスプライン軸受を介して前記本体フレームに支持されていることを特徴とする請求項１０に記載のプローブヘッド回転機構。
前記回転体の回転軸は、該回転体に設けられた貫通孔に嵌入され、該貫通孔の一方の孔端部に対応して設けられた大径部と、該貫通孔のもう一方の孔端部に対応して配置されるシムとで、該回転軸の軸方向に対する前記回転体の移動を規制し、且つ、
該大径部及び該シムの外側にそれぞれ配置される一対の軸受を互いに向い合う方向で与圧をかけて前記本体フレームに固定し、該一対の軸受を介して前記回転軸を該本体フレームで支持することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のプローブヘッド回転機構。