JPH03502603A - プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プローブ 本発明は、被測定物への接触状態を表示するための装置、例えば直角座標測定装 置やそれに類似する装置、において使用されるプローブに関する。

直角座標測定装置やそれに類似する装置においては、物体の測定はプローブおよ び物体の、通常基準点から物体への接触時点までの、特定の制御条件下における 相対的移動状態の確認を通じて行われるのであり、その接触はプローブにより表 示される。接触位置の座標は記録される。この動作の繰り返しにより、物体の寸 法を測定することができる。

かかる測定の目的は１ミクロン以下の測定精度を１／２ミクロンもしくはそれ以 下の繰り返し精度にて達成するということである。

従って、接触動作については、高い敏感性を有し、かつ誤差の無いことが必要と されることは云うまでもない。かかる接触動作達成用のプローブとしては通常、 物体への接触用としての硬質金属製の球状端を有する軽量の細い針を備えたもの が使用される。この針は接触に際し、そのプローブ本体取り付は部において歪み 、その歪み量が検知され、座標として記録される。

従来のプローブは種々の測定に際し良好な結果を示すのであるが、ある種の測定 に際しては誤差の発生を招き、その補正は記録座標の修正という方法によっては 行い得ない。かかる誤差発生の原因の一つとしては、検知前における針の種々異 なった方向への歪みが異なった歪み量として記録されるという点が挙げられる。

また、いま１つの原因としては、針の位置により作動する電気機械式スイッチが 検知用として使用されているが、そのオン／オフのレベルが、スイッチ接点にお けるアークの発生もしくは腐食のため、一定しないという点が挙げられる。従来 のプローブにおいては、針への接続は電気的または機械的な手法にて行われてい る。

さらに、従来のプローブについては多額の費用を要する精密メカニカル・エンジ ニアリング製法が必要とされ、その結果として１個当りの製造コストが高くつく という問題がある。また、かかるプローブは針に過大なストレスがかかった場合 壊れ易い。現在使用されているプローブに関する種々の問題点については、「ク ラオリティ・トウディ」誌１９８８年２月号５６頁および同年５月号２２頁に記 しである。

本発明の目的の一つは上記のごとき欠点を除かれたプローブの提供である。

本発明によれば、ハウジングおよび該ハウジング内の検知用スペースおよび該検 知用スペースへの開口部と、検知用スペースからこの開口部を経て外へ延びる針 と、上記開口部の周りに沿う低摩擦の針支持手段と、該支持手段上に上記針を大 略中立軸の方へ抑制する一方、該支持手段上で当該抑制手段に抗する位置決め変 位を許容する抑制手段とを備えた位置決め装置および類似の装置用プローブであ って、該抑制手段が検知用スペース外に設けであること、および該検知用スペー ス内に、抑制手段とは別個に、針の該中立軸から離れる方向への明瞭な動きを、 針に触れることなくして直接的に検知し、この明瞭な動きを位置決め変位として 表示するための手段が設けであることを特徴とするプローブが提供される。

上記の低摩擦の針支持手段は該開口部の周りに沿い、間隔をおいて配置された複 数のボールより構成されることが望ましく、また針の表面は該支持手段上を移動 し易いように少なくとも部分的に球状となっている。従って、針はその部分的に 球状となっている表面の曲率中心を中心として回転する。上記抑制手段としては 弾力性を有する可撓エレメント、例えばゴム・シートを用い得る。

できれば、検知手段としては該検知用スペース内に針を指向する光源を有し、ま たこの針に該光源からの光を該検知手段にに同は反射するための鏡を取り付けて おくことが望ましい。該検知手段が鏡から受光する光の量は針の変位幅に応じ異 なってくる。鏡としては凹面鏡を用いることが望ましい。光源としては、プロー ブから離れた端に設けられた光放射器から延びる可撓光学繊維の他端を用いても よい。針に取り付けられた鏡により反射された光は別の光学繊維により集光後集 光量の変化検知手段に導かれるようにしてもよい。

この検知手段としては光放射器からの放射光量と集光量とを比較し、その結果に 基づき、実際に放射された光量についての補正を条件として、針の明瞭な変位に 起因する集光量の変化を確かめるという方式のものを用いてもよい。

有用な構成の一例としては、上記の針か被測定物に接触するディスク状のナイフ ・エツジ部分を持つものが挙げられる。

針の明瞭な変位とは針の被測定物に接する部分が上記中立軸に達するというもの であることが望ましい。

以下添付図面を参照しつつ本発明の実施例につき説明を行うこととする。添付図 面中： 図１、ｌａ、ｌｂは本発明の実施例たるプローブおよびその変形例を示した概略 断面図で示し、 図２はプローブ用オブトエレクトロ二ノク回路図の概要を示し、図３はプローブ 用の針を示す。

図１を？照して、そこに示されているハウジングは参照番号１０にて示され、マ ウンティング・シャンク１２付きのボデー１１と、ロック・リング１６にて締め 付は固定された針キヤリヤ−１４を受は入れるために内面にねじ切りが施された カバー１３とを含んでいる。ハウジングの内側は検知用スペース６０である。針 キャリバー１４は、例えば薄いラバー・シートのような弾性可撓エレメント２０ が横切ってリテイナ−２１によって固定される開口１５を有している。参照番号 ４０にて示されている針は、エレメント２０を通ｌ）、かつそれにエレメントの グリップ用としての互いにねじ合わされた部品４４および４５により結合される ようにしておくことが好都合であり、検知スペース６０内の端部に、好ましくは 凹状の鏡４２を有している。鏡は針の部分的に球状の部分４３上に設けてお（こ とが好都合であり、この部分は、針キヤリヤ−１４内に形成されたボール・シー ト１７内に嵌合されてそれぞれ５０で示された３個のボールにより形成された、 低摩擦の支持手段上に位置せしめることが望ましい。可撓エレメントは開口部用 のシールを形成している。

光学繊維３０は適当なエレメント３１によりカバー１３上に載せてあり、光学繊 維３０の端部はカバー１３に設けられたウィンドー３２を通して鏡４２に向は露 出されている。

針の歪まない中立位置においては、光学繊維の端部３３はブローブの縦方向中立 軸上にあり、凹面鏡４２もまたこの軸上にある。弾４性可撓エレメント２０は、 針が歪んでいない場合均等にストレスされていることが望ましい。弾性可撓エレ メントは針を弾性係数の低い支持手段上に拘束しかつその中立軸に向かっての移 動を抑制する手段にして、歪発生後における支持手段の変位および針の中立軸に 向かっての復帰を妨げないものの一例として示したものである。

プローブの概略寸法の一例は、これに限定されるものではないが次の通りであり 、そこに示された参照番号は図１に示されたそれである。

部分　　４３　　　　　　　　　直径１３ｍｍボール　５０　　　　　　　　　 直径　４ｍｍ開口部　１５　　　　　　　　　直径３０ｍｍ部分４３−エレメン ト２０　　　約９ｍｍ当然ながら、本発明の実施態様としてプローブの寸法をよ り小さくすることもできる。その他の構造面での細目、適当な材料ならびに迷光 からの遮閉法等は当業に通じた者にとっては自明の筈である。

プローブの働きは下記の通りである。光学繊維端部３３がら出た光は、上記の歪 まない縦方向の中立軸に沿って鏡４２に向かって放射され、それに入射される。

針の歪んでいない位置においては、光学繊維端部３３からの光は光学繊維端部３ ３に向は反射され、光学繊維に沿って復帰する。業界においてよく知られている 方法、例えばビーム・スプリッティング法により、鏡により反射された光は適当 なオプトエレクトロニック法もしくは類似のコンパレータにより入射光と比較し 得る。針が中立軸からそれる際、その球状部分４３は、ボール５０により支持さ れた状態で曲率中心を中心として、抑制手段２０にてボールに対する動きを抑制 された状態で回転する。

鏡は、部分４３と共に移動し、それにより反射された光は光学繊維端部３３から それた方向に導かれる。光学繊維に沿って復帰する反射光量は減じ、この減少を 示すシグナルはコンパレータから適当な手段にて発生せしめられる。歪の原因が 除かれたとき針は弾性可撓エレメント２０のごとき抑制手段により歪んでいない 位置に向けて復帰せしめられる。

以上の記述より明かなごとく、本発明の実施態様たるプローブの構造は公知のも ののそれに比し遥かに簡単であり、針の変位の発生の検知は電気機械式スイッチ の作動にも、針の歪の方向にも関係なく行われるということは明かである。

本発明は、その他に、以下に記載のごとき数多の利点を有している。

コンパレータは、反射光量の減少を、所定のレベルに達する明瞭な減少が生じた 場合にのみ表示するようにしておくことが望ましい。

都合のよいことに、この所定のレベルへの減少は、針上のボール４１がボディー との接触により歪みその結果としてボール４１の接触点が上記の中立軸上に来る という場合に生じる。

このアレンジメントの今１つの利点としては針が抑制手段により正確に上記の中 立軸上の位置に復帰しなくともよいという点が挙げられる。針が反射光を所定の レベル以上まで反射し得るよう中立軸の充分近くまで復帰し得るとすれば、次回 の測定は正確であると考えてよい。

必要ならば針の移動により生ずる反射光の所定のレベルへの減少が起り得るかど うかを確かめるとき、放射光レベルの変化についての補正を行い得るかどうかを 確かめるため、光学繊維３０による放射用として供給される光量、ひいては鏡４ ２による反射光量をモニターすることができる。

好ましい光学的構成としては、鏡の曲率中心が光学繊維３０の表・　面３３にあ り、鏡が部分的に球状の凹反射面にして光学繊維の中立軸位置からの放射光をで きるだけ多く含むに足るというものである。

−例として、繊維の開口数が０．４７、鏡の曲率半径がｒそして球状部分の半径 がｄである場合ｄ＝０．９４ｒなる式が成り立つ。ｒの係数は実際には開口数の 逆正弦関数の２倍である。光学繊維の直径は１■台であることが望ましく、これ はこの程度の大きなサイズである方が心合せ面での問題を生じる虞が少ないため である。光学繊維３０への光の供給用としては赤外線（約９５０ナノメータ）１ ゜ＥＤとして本質的には従来の形状のものであるが、ディフューザ・レンズをグ ラインドして光学繊維への伝達光量を増すように変形したものを用いてもよい。

ＬＥＤはプローブからある程度隔たった位置、例えば約１ｍ隔たった光学繊維３ ０の他端に設けることが望ましい。光学繊維への供給光量はＬＥＤの他端からの 光をビック・アップする今１つの光学繊維によりモニターすることができる。

光学システムの適当なオペレーションは、球状部分を針キヤリヤ−１４内に等間 隔にて配置された３個のボール５０に、針が中立軸上にあるときにもエレメント をキャリヤー１４内に引き込む針連結手段によるある程度の張力下にある、弾性 可撓エレメント２０のごとき抑制手段の作用により接触せしめておくことにより 保証し得る。

また、こうしておくことにより球状部分４３をも曲率中心を中心として回転せし め得る。

ボール５０については摩耗せずまた摩擦も低いものであることが要求され、従っ てその材質としてはステンレス・スチールもしくは、例えばルビー、タングステ ン・カーバイドのごとき他の硬質金属が挙げられ、またその真球度については高 い要求が課される。同様に球状部分４３の材質としても燐青銅、ステンレス俸ス チールもしくは上記の硬質金属等が使用され、これについても高い真球度が要求 される。光学繊維３０およびニレメン）２０については、装置の据え付けの正確 を期するため調節可能としておくことが望ましい。

図２はオプトエレクトロニック・サーキットの一例の回路図であり、この回路は 反射光量が所定のレベルを下回った場合アウトプット・トリガー・シグナルを発 するようになっている。誤った結果が出ることの無いよう入念な電気的スクリー ニングが必要とされる。

当業に通じた者ならばこの回路図からコンパレータにつき課される要求を読み取 りえる筈である。手短に云うと、この装置は光学繊維３０に光を供給するための 赤外線ＬＥＤ７１を含む光源を備えている。光学繊維３０への供給光量はＬＥＤ ７１からの光に反応するフォト・ダイオード７３を含む回路７２によりモニター される。鏡４２により反射され、光学繊維３０に沿って導かれる光の量は回路７ ４のフォト・ダイオードにより検知される。回路７２及び回路７４の出力は回路 ７６内にて比較され、その結果としてのシグナルが端子７７に送られ、例えば、 直角座標測定装置用トリガー・シグナルとして用いられる。

反射光の歪も、光供給路としてのファ一部および反射光の検出装置への返送路と しての外層部より成る光学繊維の使用により検知し得る。

ある種の条件下においては、ゴムもしくは類似の材料製の可撓エレメントにつき 劣化が進みあるいはヒステレシスと呼ばれる現象が起こることがある。これらの 問題を回避するために薄い金属性のエレメントを用いることもできる。図１ａは かかるエレメントが抑制手段として使用された場合における図１に示された関連 部品の形状を示したものである。

針キヤリヤ−１１４にはその内面に、メタル・ダイアフラム／スプリング・エレ メント１２０を所定の位置に締め付は固定するための、螺子山付きのリテイナ− １２１を受は入れるための螺子が切られている。針はねじ合わせ部分４４および ４５の使用により上記エレメントに結合せしめておくことが望ましい。

据え付けに際してのエレメント１２０の直径を限定するための手段としてシート １１８が設けである。エレメント１２０はシート１１８内に挿入し得るように僅 かに皿状としておく必要がある。こうして皿状にしておく場合、針を低摩擦の支 持手段５０により拘束された状態に保つために、使用されるエレメント内部に応 力が発生する。このエレメントは、例えば同心ゾーンを有する波形のものである ことが望ましい。エレメントは、シートよりも僅かに大形のものを、シート１１ ８内に押し込むという方法にて皿形化し得る。

磁界抑制手段が使用される場合、これは針部４４に設けられた開口部１５内側の １つもしくは２つ以上の永久磁石ならびに１つの励磁フィルとして開口部１５の 内周に沿って配置されたものにより構成されている。コイルの励磁状態は全体的 もしくは部分的に調節可能とすることができ、これにより必要な形での抑制作用 を得ることができる。針とキャリヤー１４の間のメンブレンはシールの形成用と して、また必要ならば補助的位置決め用としても利用し得る。

前記のごとく、検知手段としてはある程度の針の移動後初めて状態を変える「ス イッチング」出力を出し得るよう構成されたものであることが望ましい。必要な らば、この出力は針の移動量を示すよう変化し得るもの、例えばアナログ出力で あってもよい。ビーム・スプリッター３５は光学繊維３０からの光路３４内に位 置している。

鏡４２により反射された光は光路３４からそれ、次いで、例えば３９として示さ れるビーム・スプリッターによりディテクター３６としてそれたビームの位置を 検知し得るものに入射する。矢印３７に沿ったビームの移動状態の検知用として は一列に配置された検知器もしくは他の装置を使用し得る。検知器３６の出力は 連結器３８を介して利用し得る。この配置はＸ−Ｙ面内におけるプローブの位置 のモニタリング、すなわち直角座標測定装置が、プローブが表面上にて停止した 状態で静止しており、高い精度での測定が可能であるという場合における、例え ばラピッド・スキャンニングや測定を可能ならしめるのである。

トリガー・アレンジメントは検出器出力に反応し測定装置を停止せしめ、データ を読み取り得る。

アナログ測定は測定装置が停止して後行い得るのであり、これにより振動に起因 する問題を回避し得る。アナログ測定は針を元の状態に戻すに必要とされる技術 につき必要とされる性能の低下を可能ならしめる。

光学繊維の配置は上記のごとくすることが望ましいのであるが、他の配置として もよい。例えば光を供給する光学繊維を軸上に配置し、受光繊維をそれに沿って 配置するようにすることもできる。検知パターンのロービング（ｌｏｂｉｎｇ） は予測可能であり、反射光に起因する電気的出力をプロセスする電気回路内にて 補正し得る。

本発明の実施態様としてのプローブの大きな利点としては、変位中の針に対する スイッチング・アクションは機械的スイッチ・エレメントが含まれていないとい う点でクリーンかつ速やかであるという点が挙げられる。鏡、従って針、の動き の検知用として用いられる放射媒体としては光（それが赤外線、可視光線、紫外 線の何れにあるにもせよ）を用いるものとして記述しているのであるが、適当な 適応措置を講することを前提として他の放射媒体を用いることもでき、電気的キ ャパシタンスのバリエーションすら可能である。しかし、光は比較的容易に集束 、反射せしめることができ、そのほか使用スピードが大きい、針にかかる力が小 さくてすむ、現存のメカニカル・スイッチが不要となるためスイッチング作用が よりクリーンとなる等の理由で、その使用が有利である。

針を正確に軸上の位置に復帰せしめる必要が無いということも有利であり、例え ば弾性可撓エレメントのごとき抑制手段については、それが鏡を中立軸の周りの 要求されるエリア内に復帰せしめるに適したものでさえあれば、特に高い精度基 準は必要とされない。その他の抑制手段も使用可能であり、そのようなものとし ては例えば重力、磁界、空気流が挙げられる。針支持手段としてはエアー・ベア リングも使用可能である。検知手段の一部を検知スペース外に設けておくことが できればプローブの小型化が可能となる。

図３はある種の表面、特にエアロフォイルまたはプロテーゼ等の医学的機器に見 られるがごとき、滑らかにカーブした表面上におけるプローブの性能向上用とし て使用し得る改良された針の構造を示したものである。

図３に示されたごとき構造の針においては、７０として示された部分が針のシャ フト部を軸として回転し得るように配置することも可能である。この部分７０の 回転精度は約１ミクロンもしくはそれ以上であることが望ましい。この配置をと るときには、部分７０の回転中アプローチ・インシデンス・アングルが大きい場 合におけるドラグの大幅な減少が可能となる。

簡略化のため、図３は、図１に示された部分４３を取り巻く部分のみを改良針７ ０そのもの及び骨代え用プロテーゼの一部のごとき典型的に非球状のカーブした 物体８０を示したものである。（正確なプロテーゼのタイプは関係無いが、この 種物体についてはきわめて正確な測定が必要とされるのであり、それらの非球状 形状は測定に際し大きな問題を招く。） 改良針７０は従来のボール・エンド・タイプの針に代わるものである。針７０は 、ナイフ・エツジを有するディスクを、中立軸がその中心を通るように取り付け られたものであることが望ましい。その適当な構造ならびに材質は当業に通じた 者にとっては自明の筈であるが、典型的な例としては針を金属のターニング加工 により製作し１、必要に応じてナイフ・エツジ部に焼入れを施したものが挙げら れる。

使用に際しては、針をボール・エンド・タイプのものに代えて取り付け、非測定 物に接触せしめる。上記のごとく、コンパレータにより測定される針の歪は、針 と被測定物との接点が針の中立軸上にあるときのそれである。

ボール・エンド・タイプの針を使用する場合、ボールと被測定物との接点はボー ルの表面上にて移動する。この接点の変化は、図３上の位置Ｍ１およびＭ２の比 較により示される。測定値のバリエーン町ン発生の幾何学的意味は自明であろう 。（バリニー／コンは、当然ながら、ここに記した改良プローブについても、針 として従来形のものが用いられる場合には起こり得る。）これに対し、図３に示 されているナイフ・エノン付きの改良針７０については、かかるバリエーンヨン 発生の虞は皆無である。

プローブは直角座標測定装置の、公知のタイプの精密力、プリングとしてプロー ブを、中立軸が垂直となる位置からそれが水平となる位置まで移動せしめ得ると いうものに取り付けることが望ましい。

これによりプローブを２次元的に移動せしめることにより、３次元的な測定を行 い得る。

以上記載の技術は、直角座標測定装置用改良プローブ及び、それに加えて改良針 を提供するものである。

補正口の翻訳文提出書

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．ハウジングおよび該ハウジング内の検知用スペースおよび該検知用スペース ヘの開口部と、検知用スペースからこの開口部を経て外へ延びる針と、上記開口 部の周りに沿う低摩擦の針支持手段と、該支持手段上に上記針を大略中立軸の方 へ抑制する一方、該支持手段上で当該抑制手段に抗する位置決め変位を許容する 抑制手段とを備えた位置決め装置および類似の装置用プローブであって、該抑制 手段が検知用スペース外に設けてあること、および該検知用スペース内に、抑制 手段とは別個に、針の該中立軸から離れる方向への明瞭な動きを、針に触れるこ となくして直接的に検知し、この明瞭な動きを位置決め変位として表示するため の手段が設けてあることを特徴とする、位置決め装置及び類似の装置用のプロー ブ。
2. ２．上記低摩擦の針支持手段が上記開口部の周りに間隔をおいて配置された複数 のボールにより構成されており、また上記針はその表面上に少なくとも部分的に 球状の部分を有し、該支持手段上を移動し、その結果として部分的に球状表面の 曲率中心点を中心として針がピボット回転する請求項１記載のプローブ。
3. ３．上記抑制手段がシート状マテリアルである請求項１記載のプローブ。
4. ４．上記抑制手段が少なくとも１つの弾性可撓エレメントを含んでいる請求項１ 記載のプローブ。
5. ５．上記抑制手段が上記開口部内に設けられた１枚のゴム・シートのみより成っ ている請求項３記載のプローブ。
6. ６．上記抑制手段が上記開口部内に設けられた１枚の弾性金属のみより成ってい る請求項３記載のプローブ。
7. ７．上記抑制手段は上記針を上記支持手段に拘束するための磁界を含んでいる請 求項１記載のプローブ。
8. ８．上記検知手段は、上記検知スペース内に上記針を指向する光用としての光源 を備え、該針は、該光源からの光を該検知手段に向けて反射し返す鏡が取り付け られている請求項１記載のプローブ。
9. ９．上記検知手段が上記鏡より受ける光量は、上記針の変位幅により異なる請求 項８記載のプローブ。
10. １０．上記鏡が凹面鏡である請求項９記載のプローブ。
11. １１．上記光源が可撓光学繊維の一端にあり、該繊維は、プローブから離れて該 光学繊維の他端に設けられた光放射装置から延びている請求項１０記載のプロー ブ。
12. １２．上記針に取り付けられた鏡により反射された光は、上記光学繊維もしくは その他の光学繊維により集光され、しかる後集光光量の変化を検出するための手 段に送られるようになっている請求項１１記載のプローブ。
13. １３．上記光放射装置から放射された光の量と集光量とを比較し、実際に放射さ れた光量に関する補正ならびに針の明瞭な動きの結果としての集光量の変化の補 正を条件として結論を出す手段を、上記検知手段が含んでいる請求項８もしくは それに従属する請求項に記載のプローブ。
14. １４．上記鏡により反射された光の移動状態から針の歪重を決定する手段を、上 記検知手段が含んでいる請求項８記載のプローブ。
15. １５．上記鏡により反射された光を位置検出装置に導くためのビーム・スプリッ ターを備えている請求項１４記載のプローブ。
16. １６．上記針は、被測定物の表面に接するための、ディスク形状のナイフ・エッ ジ部分を備えている請求項１ないし１５のいずれかに記載のプローブ。
17. １７．上記明瞭な動きとは、上記針の被測定物に接している部分が該針の上記中 立軸まで変位することである請求項１ないし１６のいずれかに記載のプローブ。
18. １８．上記プローブの針を該装置上に装着された被測定物上に於て変位せしめ、 接触が起こった場合の変位量を表示し、プローブの中立軸への針の変位が起こっ た場合には針の一部が該物体と接触するようになっていることを特徴とする位置 決め装置及び類似の装置のためのプローブの操作方法。