JPH0342601B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の背景） （発明の分野） この発明は一般的に、測定及び計測システムで
使われる位置検知装置に関する。特にこの発明
は、接触式検知プローブを用いた機械的な位置復
帰装置に関するものである。

（従来技術の説明） 自動化工作システムや座標測定システムでは、
工作部品の表面を正確に位置決めする手段が必要
である。本発明の関係した１つの測定方法では、
標準プローブと測定すべき表面との機械的接触を
検知し、その標準プローブの接触時における工作
台又はマシンスピンドルのｘ，ｙ，ｚ軸上の位置
が求められている。この方法の精度は、外部の接
触力がプローブに加わつていないときに必ず検知
装置がプローブを所定の静止位置へ正確に復帰さ
せられるかどうか、その装置の能力に依存してい
る。又、接触力はあらゆる方向にプローブを変位
させるから、復帰又は再位置復帰装置は測定表面
との接触で生じた前回のプローブ変位の方向と無
関係に、正確且つ反復的に静止位置の状態へ戻る
よう動作しなければならない。

プローブの正しい静止位置を反復的に得ようと
試みた従来の方法は、アメリカ特許第4270275号
（マツクマートリー）、第4153998号（マツクマー
トリー）及び第4279080号（ナカヤ）に開示され
ている。これらはいずれも、複数の位置決め手段
又は入れ子によつて限定されたプローブ位置を与
えており、可動プローブあるいはプローブハウジ
ングの固定標準点のいずれか一方に形成された一
対の収束面を有し、これらの収束面が可動プロー
ブあるいは固定標準点の他方に形成された一つの
曲面と係合する。

プローブを正確に位置復帰させるという目的を
達成するための別の従来法は、相互に複雑に接続
されたリードスプリング（板バネ）を利用してい
る。この種の方法は、例えばアメリカ特許第
3869799号（ニアー他）、第4084323号（マツクマ
ートリー）及び第4158919号（マツクマートリー）
に見られる。

こうした従来法にもかかわらず、自動化測定の
分野では、構造的に簡単で、頑丈で、経済的で、
正確に反復するばかりでなく、各種の電気的又は
電気光学的な接点検知表示信号発生回路に適用で
きる接触プローブ型機械的位置決め装置の必要が
長い間望まれ続けてきた。

（発明の要旨） 従つてこの発明の主な目的は、接触プローブ組
体を含む改良された機械的プローブ位置復帰装置
によつて、上記の要望を満たすことにある。

本発明の接触プローブは、ハウジングから突き
出た探針を備えている。ハウジングの内部空所で
は、探針が従動体つまりピボツトプレートに結合
され、この従動体がリードスプリング等実質上平
板から成る弾性部材の片側に結合される。弾性部
材の他側は、従動体の運動に対して静止した基準
面に結合される。従動体と基準面の間に少くとも
３個の接点が配置され、従動体と基準面との間で
安定した静止位置接触を与える。そして、平板状
の弾性部材が従動体の運動として現われる横断方
向及び軸方向に沿つてプローブに加わる接触力に
応じてたわみ、接触力がなくなつたときは少くと
も３個の接点によつて限定される静止位置へ正確
にプローブを反復復帰させるように構成される。

（詳細な説明） 本発明のその他の目的及び特徴は、以下の図面
を参照した好適実施例の詳細な説明から明らかに
なるであろう。尚同一の装置又は部品は、その装
置と部品を表わした全ての図面中同一の参照番号
で表わしてある。

本発明の第１実施例を示した第１〜５図におい
て、接触プローブ組体１００は、プローブハウジ
ング１１０の前面壁１１１に設けた開口を通つて
延びる探針１４０を有する。開口部中の探針１４
０は、シール用のダイアフラムスリーブ１５０で
取り囲まれている。ハウジング１１０はさらに、
取付プレート１８０から成る背面壁を有する。ハ
ウジング１１０は前面壁１１１と取付プレート１
８０の間でほぼ円筒形状を成し、その内部に後述
する探針偏差従動復帰装置を受け入れる空所１９
０を形成している。３本の取付ボルト１１２，１
１５，１１６（第２図に３本とも示す）が、ハウ
ジング１１０のほぼカツプ状部分を取付プレート
１８０に固定している。

プローブハウジング１１０は取付ネジ１１３，
１１４（第１図）と取付ボルト２０２，２０４
（第２図）を介しほぼ円筒形状の中空ハウジング
１２０に結合され、この中空ハウジングの中には
プローブハウジング１１０に収納される機械装置
と連動して動作する検知回路が入れられる。検知
回路の１例は、1981年４月30日に出願され、現在
審査中で、本出願人に譲渡されたアメリカ特許願
第259257号に記載してある。本発明では、この回
路の詳細を理解する必要はないので、説明は繰り
返さない。中空ハウジング１２０内に収納された
検知回路は、取付プレート１８０に隣接して位置
させたＯ−リング１７０で外部からの汚染に対し
シールされる。

取付プレート１８０と反対側の検知回路用ハウ
ジング１２０の一端には、工作機械工業規格のテ
ーパーや駆動キー受入れ用の溝付フランジ１３１
等を含むアダプター部１３０が固定され、このア
ダプター１３０は工作機械のスピンドル又は工具
取扱用タレツトの対応ソケツトを受け入れるのに
適した形状を有する。アダプター１３０は一般
に、ネジ切りレセプタクル１３１を介しアダプタ
ー１３０と噛み合う引張バー（図示せず）によつ
て上記ソケツト内へ引き込まれる。本発明の構成
要件ではないが、NC制御の下で切削工具が自動
的に選択され、所定の径路内を駆動されるのと同
じように、NC工作センターで接触プローブ装置
を容易に使えることを示すための一例としてアダ
プター１３０を図示した。接触プロープ組体１０
０は、その他各種環境での使用に適した形状とす
ることができ、例えばロボツト用のマニピユレー
タに取付けてもよい。

次に第２，３及び５図を参照して、探針偏差従
動復帰機構装置について説明する。探針１４０は
接触先端１４１から前面壁１１１の開口とスリー
ブ１５０を通り、フランジ部１４０Ａとネジ切り
突出部１４２から成る接続端へと延びている。突
出部１４２は孔１４２Ａと保持ナツト１４３を介
して探針従動部つまりピボツトプレート５３０に
結合され、このピボツトプレート５３０が探針先
端１４１に加わる接触力に応じて移動する。

ほぼ３角形を成すピボツトプレート５３０の３
隅には、球状の接点５４１，５４６，５４８がそ
れぞれの軸部（例えば第５図中の５４２）を介し
ピボツトプレート５３０へ結合され、各軸部はピ
ボツトプレート５３０の対応孔５４２Ａと端子ポ
スト５５０の孔を通り接触保持ナツト５４３と係
合している。又接点５４１と５４６の間のピボツ
トプレート５３０の単一部分だけに、ほぼ平板状
の弾性部材例えばリードスプリング（板バネ）５
２０の片面が結合されている。リードスプリング
５２０とピボツトプレート５３０間の接続は３本
の保持ネジ５２３によつて成され、各ネジ５２３
は第１リードスプリング保持具５２２の対応穴５
２３Ａ、リードスプリング５２０の対応穴５２３
Ｂ及びピボツトプレート５３０のネジ噛合孔５２
３Ｃを通つている。

リードスプリング５２０は、探針１４０が貫通
するようにハウジング前面壁１１１の開口とほぼ
軸合せされた第１の孔５２６を有する。リードス
プリング５２０はさらに孔５２７を有し、ここか
ら球状接点５４８が突き出ている。リードスプリ
ング５２０の他面は、ハウジング前面壁１１１に
固定されるかあるいはその一部を成すベーススプ
レート５１０に接点５４８に隣接して接合され
る。ベーススプレート５１０の役割は接点５４
１，５４６，５４８の基準面を与えることにあ
り、この基準面はハウジングに対し静止してい
る。ベースプレート５１０も、探針が貫通するよ
うにハウジング前面壁１１１の開口と軸合せされ
た孔５１１を有する。

リードスプリング５２０は２本のネジ５２５で
ベースプレート５１０へ結合され、各ネジ５２５
は第２リードスプリング保持具５２４の対応穴５
２５Ａ、リードスプリング５２０の対応孔５２５
Ｂ及びベースプレート５１０のネジ噛合い孔５２
５Ｃを通つている。第２リードスプリング保持具
５２４は、リードスプリング５２０の孔５２７か
ら突き出た接点５４８の一部が静止位置でベース
プレート５１０の基準面と当接するように形成さ
れた切込み部を有する。

ピボツトプレート、基準面、これに当接する球
状接点及びリードスプリングが上記のように構成
されているため、探針１４０はその先端１４１に
接触力が加わつていない場合、リードスプリング
５２０の作用で基準面と当接する３個の接点によ
つて繰返し正確に静止位置へと復帰する。プロー
ブ力をいつそう高めると同時に、探針のはね返り
つまり見かけのガタツキを防ぐため、コイル状の
付勢スプリング１６０はピボツトプレート５３０
に形成された適当な環状溝５３２と係合する一端
と、取付プレート１８０に形成された対応溝と係
合する他端を有する。従つてスプリング１６０は
探針１４０の縦方向軸と平行な付勢力を与え、ピ
ボツトプレート５３０とベースプレート５１０が
接点５４１，５４６，５４８を介して静止位置に
保たれるようにしている。スプリング１６０の役
割はリードスプリング５２０の強度を適切に選択
することで果すこともできるが、この強度は極め
て制限された探針の過剰移動を接触プロープ装置
で吸収できるものでなければいけない。

当業者にとつては明らかなように、ピボツトプ
レート５３０とベースプレート５１０の間で３個
の接点が静止位置の状態にあるかどうかの検知
は、さまざまな方法で行える。例えば、ハウジン
グ１２０内のダイオード加算回路から延びたリー
ド線を端子ポスト５５０を介して並列に３個の接
点５４１，５４６，５４８全てへ配線し、検知回
路からベースプレート５１０へ標準電位を加えれ
ば、静止位置を表わす電気信号を発生させること
ができる。この場合には、３個の接点全てがベー
スプレート１１０と当接しているときのみ、接点
５４１，５４６，５４８と並列に接続されたリー
ド線上に真の標準電位が現われる。一方、第４図
に矢印４０１で示したような接触力が探針の先端
１４１に加わると、ピボツトプレート５３０は探
針の動きに従動し、第４図中関隙４０２として示
したように接点５４１を標準面５１０から離間さ
せる。そしてこの接点における交流インピーダン
スが、第１図のハウジング１２０内に収納された
回路で周知の方法により検知される。

本発明の機械的構成に適用できるさらに別の検
知方法としては、例えば接点とベースプレート１
５０の基準面に形成した電気絶縁接触領域から成
る直列電気回路、各接点と基準面の間での磁気的
接近検知、各接点と基準面の間での容量的接近検
知、ベースプレート又はピボツトプレートのひず
み検知、あるいは基準面に対するピボツトプレー
トの移動の光学的検知等が可能だが、これらに限
定されるものではない。直列接続式の接点を使つ
た検知回路の一例は、上記のアメリカ特許願第
259257号に示してある。直列回路法の場合、ピボ
ツトプレート５３０を非導体とするか、接点５４
１，５４６，５４８からピボツトプレート５３０
を絶縁するための手段を設けなければならないこ
とは当業者にとつて自明であろう。この必要はあ
るが、検知回路と各接点の直列接続とをつなぐの
が簡単となるため、直列回路検知法の方が一般に
望ましい。

本発明の原理に基いて構成された接触プローブ
装置の別の実施例を第６，７図に示す。第６，７
図に示すように、この変形接触プローブは２体に
分れた探針を有し、永久固定された探針のベース
部つまり取付端部１０に連結点１６Ａで接合され
る取外し可能な接点つまり先端部１６から成つて
いる。この構成では、各種のサイズ及び形状の先
端を持つた探針を、プローブハウジング本体２の
外側に位置した連結点１６Ａで第７図の接触プロ
ーブ装置へ用意に結合させることができる。

ハウジング本体２の前面壁には、シール用ダイ
アフラム９の外周を所定位置に保持するカバー留
め具７がボルト止めされ、ダイアフラム９の内周
はワツシヤ８によつてダイアフラム９の内側面に
保持され、又探針取付端部１０のフランジ部によ
つてダイアフラムの外側面に保持される。

ハウジング本体２の背面壁は取付プレート１か
ら成り、この取付プレート１は２個のナイロン製
絶縁ワツシヤのうち一方５によつて付勢スプリン
グ６から電気的に絶縁されている。他方のナイロ
ン製絶縁ワツシヤ２０は、付勢スプリング６の他
端をピボツトプレート４から電気的に絶縁する。
取付プレート１とハウジング本体２の間には、シ
ール用ガスケツト１７が入れてある。さらにハウ
ジングの背面壁１には付勢スプリング保持プレー
ト１８が設けてあり、この保持プレート１８はネ
ジヘツド部１２で回転される調整装置１９と協働
して、付勢スプリング６からピボツトプレート４
へ加わる力を可変とする。保持プレート１８は絶
縁ワツシヤ５と一体状に図示してあるが、別々に
構成してもよい。

前述の実施例と同じく、第６，７図の接触プロ
ーブでも探針の取付端部１０にピボツトプレート
４が結合され一緒に移動する。しかし第６，７図
のプローブ装置では前例と異り、ハウジング本体
２と一体の面を固定基準面として使い、ピボツト
プレートではなくこの固定面に球状接点２１を備
えている。各球状接点２１と対応したピボツトプ
レート４の位置には、接点２１と当接するほぼ平
坦な面を与える耐摩耗パツド１３が取付けてあ
る。パツド１３と球状接点２１は、焼結タングス
テン炭化物等耐摩耗性の高い素材で作るのが好ま
しい。球状接点と組合せて耐摩耗性の平坦面を使
えば、ハウジング内の空所に潤滑用流体を満たす
必要が無くなるばかりか、これに伴つて電気検知
回路に問題を生ずる恐れも避けられることが見い
出された。

リードスプリング（板バネ）３はその一端が第
１の保持具１１を介してピボツトプレート４へ結
合され、他端が第２の保持具１５を介して一体の
基準面に結合されており、この標準面は探針の軸
にほぼ直角な方向に、ハウジング本体２の前面壁
に形成された探針貫通口の周囲へと延びている。

バネ接触式プローブ１４はハウジング本体２と
一体の基準面と接する溝切端部を有する一方、取
付プレート１へと延び、ハウジングの前背両面間
の電気的接続を確保している。

本発明の原理に従つて構成した接触プローブの
試品は、接触力が探針から除かれた時必ずいつで
も探針がその静止位置へ正確に復帰する点で、改
善された反復性を示した。本発明による接触プロ
ーブの試品１個は、最悪条件の軸方向に沿つて
200万回繰返した結果、12ミクロインチ２シグマ
より優れた反復復帰精度が得られた。この性能向
上は、平面プレートが３個の等しく離間した接点
上へ確実且つ正確に静止できることと、ほぼ平板
状の弾性部材が平面プレートを接点上の同じ反復
位置へ位置させられることによるものと考えられ
る。

以上本発明を、好適実施例を参照しながら説明
した。これらの実施例で示された個々の構成は説
明の便宜上選んだもので、本発明の範囲を限定す
るものではない。本発明の要旨を逸脱することな
く、当業者が上記以外の実施例を考え出すことも
勿論可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原料に従つて構成された接触
プローブの一部断面を含む平面図；第２図は第１
図の２−２線に沿つた断面図；第３図は第１図の
３−３線に沿つた断面図；第４図は第１図と同様
の部分断面図で、接触力により変位した位置にあ
るプローブを示す図；第５図は第１図に示した位
置復帰装置の分解斜視図；第６図は別の実施例を
示す断面図；及び第７図は第６図の７−７線に沿
つた断面図である。 １…取付プレート（背面壁）、２，１１０…プ
ローブハウジング、３，５２０…リードスプリン
グ、４，５３０…ピボツトプレート、５，２０…
絶縁ワツシヤ、６，１６０…付勢スプリング、７
…カバー留め具、８…ワツシヤ、９…シール用ダ
イアフラム、１０…探針取付ベース部、１１，５
２２…第１保持具、１２…ネジヘツド部、１３…
パツド、１４…バネ接触式プローブ、１５，５２
４…第２保持具、１６…探針先端部、１６Ａ…連
結点、１７…シール用ガスケツト、１８…保持プ
レート、１９…調整装置、２１，５４１，５４
６，５４８…球状接点、１００…接触プローブ組
体、１１１…前面壁、１１２，１１５，１１６，
２０２，２０４…取付ボルト、１１３，１１４…
取付ネジ、１２０…中空ハウジング、１３０…ア
ダプター、１３１…溝付フランジ、１４０…探
針、１４０Ａ…フランジ部、１４１…探針先端、
１４２…ネジ切り突出部、１４２Ａ…孔、１４３
…保持ナツト、１５０…シール用ダイアフラムス
リーブ、１７０…Ｏ−リング、１８０…取付プレ
ート（背面壁）、１９０…空所、４０２…間隙、
５１０…ベースプレート、５１１…孔、５２３，
５２５…ネジ、５２３Ａ〜Ｃ，５２５Ａ〜Ｃ…対
応穴、５２６…第１の孔、５２７…孔、５３２…
環状溝、５４２…接点軸部、５４２Ａ…対応孔、
５４３…接触保持ナツト、５５０…端子ポスト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 別の物体との接触を検出する接触プローブ装
   置であつて、 接触端と取付端とを有する探針と、 基準面と、 探針の取付端に連結されたピボツトプレート
   と、 前記ピボツトプレートか前記基準面のいずれか
   一方に固着された少なくとも３つの接触部材と、 基準面とピボツトプレートの間に位置決めされ
   た弾性部材とからなり、探針の接触端が上記他の
   物品との接触によつて移動されないときはいつで
   も、各接触部材が押圧されてピボツトプレート及
   び基準面のうちの他方のそれぞれの対向する部分
   と係合するように、かつ基準面とピボツトプレー
   トの両方に堅く連結されるように、そして、接触
   部材がピボツトプレートと基準面との間に延びる
   ように、前記弾性部材はピボツトプレートに少な
   くとも３つの接触部材のうちの２つの間のピボツ
   トプレートの単一部分だけで結合され、かつ基準
   面の前記２つの接触部材から遠い第３の接触部材
   に隣接した部分に結合されており、 ピボツトプレートが回動し、接触部材がこの移
   動を検出し、弾性部材が探針を移動前のほぼ同じ
   位置に戻すように探針は基準面に対して自由に移
   動する、別の物体との接触を検出する接触プロー
   プ装置。 ２ 弾性部材は、ほぼ平らなリードスプリングで
   あり、前記リードスプリングは、その一方の縁に
   隣接して基準面に堅く連結され、他方の縁に隣接
   してピボツトプレートに堅く連結されている、請
   求項第１項記載の接触プロープ装置。 ３ 接触部材はピボツトプレートに固着され、基
   準面は基準プレートであり、前記接触部材は、探
   針が動かされてないときに基準プレートと接触し
   ており、探針の移動は、基準プレートから１つ以
   上の接触部材の離れることによつて検出される、
   請求項第１項記載の接触プロープ装置。 ４ 接触部材は基準面に堅く連結されている、請
   求項第１項記載の接触プロープ装置。 ５ 接触部材の接触部分、或いは基準面かピボツ
   トプレートの接点部材と対向した接触面、の一方
   又は両方が、耐摩耗性の焼結炭化物材料からな
   る、請求項第１項記載の接触プロープ装置。 ６ 接点部材の接触面は球形である、請求項第１
   項記載の接触プロープ装置。 ７ 探針は、探針を簡単に交換できるようにピボ
   ツトプレートに取外し可能に連結される、請求項
   第１項記載の接触プロープ装置。 ８ ピボツトプレートはほぼ平らであり、接触部
   材はピボツトプレートのまわりに縁に隣接して等
   距離離されている、請求項第１項記載の接触プロ
   ープ装置。 ９ 基準面、ピボツトプレート及び弾性部材はす
   べて、ハウジング内に位置決めされ、探針の接触
   端はハウジングを貫通する、請求項第１項記載の
   接触プロープ装置。 １０ 更に、ピボツトプレートの弾性部材と反対
   側で、ピボツトプレートとハウジングの壁との間
   に位置決めされた付勢用スプリングを備え、前記
   付勢用スプリングはピボツトプレートと壁の両方
   に当接している、請求項第９項記載の接触プロー
   プ装置。