JPH04339205A - 接触プローブ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械および座標測
定機のような位置決定装置に対する接触プローブに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】このような機械は、２次元または３次元
に移動可能であり、かつ接触プローブあるいはその他の
工具を支持するスピンドル，クイルまたは腕を有する。 ものさしその他の測定装置によってプローブや工具の２
次元または３次元の位置を測定する。このような機械と
共に用いる接触プローブは、その本体から延在して加工
片の表面に接触する、振れたり偏向したりすることので
きるスタイラスを有する。

【０００３】このような用途に用いる接触プローブとし
て、商業的に極めて成功したものは、たとえばマクマー
トリィ（ＭｃＭｕｒｔｒｙ）氏の米国特許第４，１５３
，９９８号に示されている。プローブ本体中には、運動
学的支持装置（Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　　ｓｕｐｐｏｒｔ
　　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を設け、この装置に対し
てスタイラス保持部材をばねにより軸方向に付勢する。 それにより、運動学的支持装置はスタイラスを本体に対
する休止位置に支持する。この休止位置は空間的に著し
く反復して繰り返される。スタイラスが加工片の表面に
接触すると、プローブによりトリガ信号が発生する。こ
のトリガ信号は、移動可能なスピンドル，クイルまたは
腕の瞬時位置の読み取りを行うことをトリガするのに用
いられる。スタイラスの休止位置には反復性があるので
、スタイラスと加工片との間の接触点の空間での位置を
正確に測定することができる。スタイラスはばねの偏倚
力に対して振れることができるので、その損傷を防ぎ、
そして、ついで反復可能な休止位置に戻る。

【０００４】米国特許第４，１５３，９９８号にはいく
つかの形態の運動学的支持装置が開示されている。ここ
に開示されているもののうちのひとつは、プローブの軸
のまわりに離隔して配置された３つの支持部位を有する
。各支持部位において、支持部材（たとえば円筒）がス
タイラス保持部材上に配置されており、この支持部材は
、互いに集中的にすぼまるコンバージェント表面（ｃｏ
ｎｖｅｒｇｅｎｔ　　ｓｕｒｆａｃｅ）をもつ一対の支
持部材（たとえば一対のボール）と係合させられる。こ
のように３つの支持部材がコンバージェント表面の各対
にそれぞれ位置するように配置することによって、スタ
イラスが休止位置にあるときに、そのスタイラスに軸方
向および横方向の拘束を与え、それにより、極めて反覆
性のよい独特な運動学的休止位置を付与する。

【０００５】米国特許第４，１５３，９９８号に記載さ
れている第２の代わりの配置では、スタイラス保持部材
またはハウジング部材のうちのひとつの上に３つの支持
部材を設け、それら支持部材を平坦な表面に対して軸方
向に支持して、軸方向の休止位置を付与するようにして
いる。かかる軸方向の拘束と組合せて、独特の運動学的
休止位置を与えるために、別個に横方向の拘束を与える
ための種々の形態も開示されている。横方向の拘束とし
て用いうる他の例は、横方向に延在し、その一端がスタ
イラス部材に接続され、他端がハウジングに接続された
平面状ばねである。その一例は、クーザック（Ｃｕｓａ
ｃｋ）氏の米国特許第４，４５１，９８７号に示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなプローブは
、多大の成功を以て、広範囲にわたって用いられてきた
が、現在の産業界の測定に対する要求は一層厳しくなっ
てきており、この種のプローブにおいてこれまでは重要
性の低かったある問題点をも考慮する必要性が高まりつ
つある。

【０００７】たとえば、３支持部位であるが故に、次の
ような問題点がある。プローブが加工片の表面に向けて
進むときに、スタイラスが加工片に接触する瞬時とその
結果としてスタイラスがトリガ信号を発生する瞬時との
間に、プローブは常に僅かな距離だけ進む。これは「プ
リ・トラベル」として知られている。加工片とのある所
定の方向での接触に対しては、プリ・トラベルは十分に
反復性があり、したがってその影響は較正により補償す
ることができる。しかし、３つの支持部位の性質上から
、接触方向が異なるときにはプリ・トラベルは著しく変
動し、軸と直交する平面（ＸＹ面として知られている）
におけるプローブの応答に対してはローブ（ｌｏｂｅ）
のついた特性が得られるので、各方向に対して異なる較
正および補償値を与えることが必要になる。ローブ効果
は、特に、着座部材における電気的スイッチングにより
トリガ信号が発生する場合に運動学的着座部材が一緒に
なるように働く軸方向の力に比例する。

【０００８】ローブ効果を減少させるためには、ばねの
力をなるべく小さくするのが望ましいことは明らかであ
る。しかし、ばねの力には実用上の下限がある。その理
由はプローブが移動するときに、プローブが加速され、
あるいは振動しても、運動学的支持部材が互いに着座状
態を保つことが要求されるからである。このようにしな
いで、その結果として着座状態から外れると、誤ったト
リガ信号が発生することになる。

【０００９】このようなコンバージェント表面をもつプ
ローブには、ごく稀ではあるが、再着座時にヒステリシ
スの問題も生じる。これは、着座部材間の摩擦により生
じて、支持部位のうちのひとつにおいてひとつの着座部
材が対応する一対のコンバージェント表面に完全に着座
しなくなることがある。その結果として、この着座部材
の位置に垂直方向の誤差が生じ、それによって、スタイ
ラス部材が傾き、スタイラス先端（チップ）の休止位置
には、対応する横方向の誤差が生ずることになる。この
横方向の誤差の方向はスタイラスが再着座する方向に依
存している。横方向の誤差はスタイラスの長さに比例す
るレバー効果によって増倍され、支持部材がその一対の
コンバージェント表面に再着座する際の横方向の他の再
着座誤差のいずれよりも重大である。

【００１０】上述した他の形態のプローブ、すなわち、
平坦な表面上に戴置された３つの支持部材を有して、個
別の横方向の拘束を与えるようにしたプローブもまたロ
ーブ効果としてヒステリシスの欠点を有している。スタ
イラス部材は加工片と接触するある任意の方向に対して
反復可能な休止位置に戻るが、ＸＹ平面における異なる
方向の接触によって休止位置が僅かずつ異なる傾向にあ
る。これは、支持部材と支持平坦表面とがＸＹ方向にお
いて互いに滑動するときに支持部材と平坦な支持表面と
の間に生じる摩擦にも起因する。プローブが再着座する
と、ＸＹ面に作用する横方向の拘束の張力がある残留レ
ベルにまで減少して、支持部材の表面においてＸＹ面に
おける残余の摩擦力に打勝つことができなくなるまで、
支持部材は平坦表面上をＸＹ面内で滑動する。（たとえ
ば米国特許第４，７６３，４２１号のように）平坦な表
面上に４個以上の支持部材を配置して構成した軸方向の
拘束、あるいは（たとえば米国特許第４，４７７，９７
６号のように）平坦な表面上に支持しまたは支持されて
いる連続した環状のリングより成る軸方向の拘束を有す
るプローブもまた知られている。このプローブではロー
ブの問題は減少させることはできるものの、ヒステリシ
スの問題は依然存在し、かつより深刻である。

【００１１】そこで、本発明の目的は、上述した従来の
双方の形態のプローブの利点を取り込みながら、それら
の欠点を最小限に抑えるようにした接触プローブを提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、位置決定装置のための接触プロー
ブであって、固定部材と、加工片に接触するスタイラス
を支持する第１可動部材と、相互に係合可能な少くとも
１対の第１部材と、第２支持手段とを有する第１支持手
段であって、前記第２支持手段は前記第１支持手段から
独立しており、相互に係合可能な少くとも１対の第２部
材を有し、前記第１および第２部材のすべてが係合して
前記第１可動部材を前記固定部材に対する休止位置に保
持するときに前記第１および第２支持手段が互いに共働
するようになした第１支持手段と、前記第１および第２
部材のすべてを偏倚させて係合させる第１および第２偏
倚手段であって、前記スタイラスが加工片に接触すると
きに、前記対の第１および第２部材の双方を、前記第１
および第２偏倚手段の作用に抗して、係合状態から外し
て、前記第１可動部材が前記休止位置から前記固定部材
に対して同じ方向に変位できるようにする第１および第
２偏倚手段とを具え、前記対の第１部材を前記対の第２
部材よりも小さい偏倚力で偏倚させて係合させ、それに
より前記第１可動部材の変位時に前記対の第１部材を前
記小さい偏倚力に抗して係合状態から外し、そして次に
前記対の第２部材を係合状態から外すようにしたことを
特徴とする。

【００１３】また、前記第２部材は運動学的支持装置を
構成し、および前記第２支持手段は少くとも横方向の拘
束を付与することを特徴とする。

【００１４】さらに、前記第１支持手段は、前記第１部
材が係合状態から外れるときに、当該第１部材が互いに
離隔する動きを制限する当接手段を含むことを特徴とす
る。

【００１５】

【作用】本発明では、第１および第２の独立した支持手
段を有し、第１支持手段を第２支持手段よりも小さい力
で偏倚して、その摩擦をきわめて小さくするようにした
ので、スタイラスが振れるときのローブおよびヒステリ
シスの問題を解決して、プローブの精度を高めることが
できる。

【００１６】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１７】まず最初に、図１および図２を参照するに
、図示のプローブはハウジング１０を有し、その内部に
はスタイラスホルダ１２を配置する。スタイラスホルダ
１２はスタイラス１４を支持する。このスタイラス１４
はハウジング１０内の開口１６を通して突出する。スタ
イラス１４は加工片に接触するチップ１５を有し、その
ような接触によってスタイラス１４を振れさせて変位さ
せる。

【００１８】スタイラスホルダ１２はカップの形状をな
し、付随するスカート１８を有する。スカート１８の環
状の底部エッジ２２はハウジング１０の平坦な内側表面
２０上に戴置されている。エッジ２２の表面と表面２０
とは両者を一緒にしてラッピングしてすり合わせること
により製作し、以て両者が極めて平坦でかつ互いに合致
するようにする。これにより、スタイラスホルダ１２が
精密に軸方向の休止位置において確実に支持されるよう
にする。スタイラスホルダ１２は、ばね２４によってこ
の軸方向の休止位置に偏倚される。このばね２４は円錐
状部材２６をスタイラスホルダ１２のくぼみ２８に押し
つける。スタイラスホルダ１２は精密な軸方向の休止位
置に位置させられるのみならず、スタイラスホルダ１２
およびそれに従うスタイラス１４もまたきわめて精密な
軸方向の休止位置に位置させられる。このことは次のよ
うにして確実になされる。ダイヤフラム状の平面ばね３
０の中央部分において、スタイラス１４がスタイラスホ
ルダ１２から吊下げられている点で、このばね３０をス
タイラスホルダ１２に固着する。ばね３０の外周部をリ
ング３２に固着する。リング３２からは３つの円筒３４
をその半径方向に突出させ、そして、ハウジング１０上
に固着されている各対のボール３６により設けられたコ
ンバージェント表面に着座させる。それにより、リング
３２は、米国特許第４，１５３，９９８号に記載されて
いるのと同様の形態で、軸方向および横方向の双方共に
、運動学的に規定された休止位置に位置する。リング３
２については、平面ばね３０によりスタイラスホルダ１
２をきわめて上手に規定された横方向の休止位置を保持
する。しかし、平面ばね３０は屈曲して垂直方向に運動
することがあり、スタイラスホルダ１２をリング３０に
対して傾けることがある。このような運動は、表面２０
と２２により形成される軸方向の休止位置によって拘束
されるのみである。

【００１９】したがって、スタイラス１４は、軸方向の
拘束と横方向の拘束との組合せにより精密に規定された
休止位置に保持される。ボール３６と円筒３４は軸方向
の拘束のみならず横方向の拘束も与えるが、平面ばね３
０には軸方向に柔軟性があるので、それによりスタイラ
スホルダ１２が過度に拘束されることがないようにする
。

【００２０】合せピン３８をハウジング１０に固着して
、スタイラスホルダ１２の穴４０を通して延在させる。 この穴４０は十分な隙間をもち、プローブの通常の動作
を妨害しないようにする。この合せピン３８を設けるの
は、交換可能なスタイラス１４をスタイラスホルダ１２
にねじ込む際にスタイラスホルダ１２が回転しないよう
にするためである。合せピン３８は、スタイラスが振れ
た後に円筒３４がボール３６の対に正しく再着座するの
を確実にするための案内の目安ともなる。

【００２１】平面ばね３０には予め応力を与えておき、
このばね３０が無負荷状態のときに、ベルビル（Ｂｅｌ
ｌｅｖｉｌｌｅ）ウォッシャ、すなわち皿ウォッシャの
形態で上方に曲がるようにする。しかし、ばね２４によ
り偏倚されている状態では、ばね３０は、図１に示すよ
うな平坦で応力のかかった状態となっているものとする
。休止位置においてスタイラスホルダ１２に作用する力
について考えてみると、ばね２４により与えられる下向
きの力は、平面ばね３０の上向きに曲がる力よりも僅か
ばかり大きいのみであり、かかる上向きに曲がる力と十
分に平衡している。その結果、ハウジング１０の表面２
０とスカート１８の表面２２との間の圧力はきわめて小
さい。表面２０とエッジ２２の表面との間の摩擦はこの
圧力に比例するので、この摩擦もまたきわめて小さい。

【００２２】スタイラス１４がいかなる方向からでも加
工片に接触すると、このスタイラス１４は振れて偏向す
る。たとえば、その接触が水平方向であるとすると、ス
タイラス１４は表面２０と２２との間の接触点のまわり
に傾く。このとき、円筒３４とボール３６は互いに係合
したままであり、その傾きは平面ばね３０が撓曲するこ
とで吸収されて調整される。スタイラス１４の振れが続
いて、平面ばね３０の予め与えておいた応力が軽減され
ると、少くともひとつの円筒３４を関連するボール３６
に着座している状態から外して持ち上げることにより、
それ以上のスタイラス１４の振れも吸収されて調整され
る。

【００２３】スタイラス１４の初期の振れには表面２０
上でスカート１８を傾けることによってのみ順応してい
るのであって、運動学的に取付けられたリング３２の運
動によっていないので、スタイラス１４を振らせるのに
必要な力はすべての水平方向において同一である。その
理由は、スカート１８が環状であるからである。その結
果、この初期の振れによってはローブは全く生じない。 表面２０と２２との間の接触力は小さいので、初期の振
れによって、スタイラス１４と加工片との間の接触をき
わめて敏感に検知することができる。

【００２４】スタイラス１４にかかる振れの力がなくな
ると（すなわち、プローブが移動して、スタイラス１４
が最早加工片に接触しなくなると）、スタイラスホルダ
１２は、ばね２４の作用によって、その軸方向および横
方向の休止位置に戻らされる。このような復帰動作にあ
たり、表面２０とエッジ２２の表面および円筒３４とボ
ール３６が互いにいくらかこすれ合うことがある。この
ようにこすれ合うことによるに摩擦は、ばねの力が摩擦
の力に完全に打ち勝ってスタイラスホルダ１２を休止位
置に精密に戻すことができないときに、慣例のプローブ
にあってはヒステリシスの根源となっていた。本発明に
よるプローブでは、表面２０とエッジ２２の表面との間
にはきわめて僅かな圧力が加わるのみであり、つまり、
摩擦力はきわめて小さいので、このようなヒステリシス
は減少する。したがって、スカート１８が横方向の休止
位置に向けて横方向に移動するのを阻止する摩擦力は殆
んどなく、そして、表面２０とエッジ２２の表面は平坦
であるので、スカート１８が軸方向の休止位置に移動す
るのを阻止する抵抗もない。

【００２５】再着座動作中、横方向の休止位置は、実際
上、円筒３４とボール３６および平面ばね３０により確
実に確保されている。勿論、円筒３４とボール３６との
間の摩擦力がその効果を示すことも依然として可能では
ある。したがって、円筒３４とボール３６との間の摩擦
により１個または２個以上の円筒３４が対応する対のボ
ール３６の間の休止位置に完全に再着座するのが妨げら
れるおそれもある。しかし、その結果として生じる位置
決めの狂いは、あったとしても、大部分は水平方向では
なく垂直方向のものである。この狂いは平面ばね３０の
曲げによって吸収されて調整される。したがって、この
位置決めの狂いはスタイラスホルダ１２の軸方向の休止
位置を乱さない（その理由は、スタイラスホルダ１２の
軸方向休止位置はスカート１８がその軸方向休止位置に
戻るのに従うからである）。円筒３４とボール３６との
間のこのような位置決めの狂いは横方向の休止位置に対
してはごく僅かな影響しか及ぼさない。さらにまた、起
こりうるいかなる横方向の位置決めの狂いも、単に、ス
タイラス１４の休止位置の横方向の平行移動を起こすの
みであって、従来技術の場合のようにスタイラス１４を
傾けることはない。したがって、スタイラスチップ１５
の位置決めの狂いの程度はリング３２の横方向の位置決
めの狂いの大きさと同じであるにすぎない。これに対し
て、従来技術のプローブでは、スタイラス１４の長さに
よってもたらされるこの効果によって、スタイラス１４
が傾くときにはスタイラスチップ１５の位置決めの狂い
が著しく増大されることになる。図８は、リング３２の
横方向の位置決めの狂いをさらに減少させることのでき
る変形例を示す。ボール３６の代わりに、各ローラ（円
筒）３４を、Ｖ溝を形成している２つの円筒状ローラ３
６ａの間に配置する。そのＶ溝の側面は、故意にきわめ
て急峻となして、縦方向における不整合が横方向の場合
よりも一層明白になるようにする。所望により、図１の
ボール３６を慣例の場合よりも僅かばかりさらに離隔さ
せて配置することによっても、同様の効果を達成するこ
とができる。

【００２６】図９は、図８に示した形態のさらに他の変
形例を示す。ここでは、対のボール３６の代わりに２つ
の円筒１０６を有する。円筒１０６は、図９では、その
先端をこちら向きにして示されており、互いに平行であ
り、そして、プローブ１４の軸に関して半径方向に配置
されている。円筒１０６間には、ハウジング１０に形成
したくぼみ１０８を設ける。図１における円筒３４の代
わりに、円錐部材１１０をリング３２に下向きに取りつ
ける。運動学的休止位置では、この円錐部材１１０は、
図示するように、対の円筒１０６に対して押しつけられ
る。円錐部材１１０の頂部には円筒状の延長部１１２を
設ける。この延長部１１２は、休止位置においては、く
ぼみ１０８内に収容される。

【００２７】円錐部材１１０の円錐角はきわめて急峻な
ものとする。その結果、リング３２が休止位置に戻され
るときに、摩擦効果によって生じるいかなる位置決めの
狂いも、横方向ではなく、主に縦方向に生じる。すなわ
ち、円錐角の急峻度は、図８に示した円筒３６ａにより
形成された急峻なＶ溝と同様の機能を達成することなに
なる。リング３２が持ち上げられ、そして、円錐部材１
１０が係合状態から離れるときに、その延長部１１２は
円筒１０６間にとどまっている。したがって、この延長
部１１２は、円錐部材１１０が正確に戻って円筒１０６
と接触するのを確保するためのガイドとして作用し、合
せピン３８が不要ともなる。

【００２８】スタイラスチップ１５が最初に加工片に接
触した瞬時は、種々の実行可能な方法で検出することが
できる。たとえば、スタイラスホルダ１２に圧電検出器
や歪ゲージを取付けることによって最初の接触を（たと
えば、国際出願第ＷＯ８６／０３８２９に記載のように
して）検出することができる。あるいはまた、スタイラ
スチップ１５と加工片との間の電気回路が両者の接触に
よって閉成されるように配置することによってその接触
を検出することもできる。しかし、図１に示したように
、本実施例における好適な方法では光電検出器を用いる
。発光ダイオード４２より光ビームを発生させ、その光
ビームをスタイラスホルダ１２の開口４４を通過させる
。これにより光スポット４８が、図３により明確に示さ
れているように並置された一対の光検出器４６に入射す
る。光検出器４６の出力を、差動入力端子を有する自動
零回路（ａｕｔｏ　　ｚｅｒｏ　　ｃｉｒｃｕｉｔ）５
０に供給する。この回路５０の機能は、検出器４６の出
力の長期間にわたるドリフトを追跡して、このような長
期ドリフトの如何にかかわらず、回路５０の出力が一定
値（たとえば零）になるようにすることにある。しかし
、検出器４６から受けた差動入力間に何らかのより急峻
な不整合があると、自動零回路５０はそれに反応して、
その出力を増加させ、そして、その結果、トリガ回路５
２はトリガ信号を発生する。したがって、自動零回路５
０は、ある所定値を越える差動入力の変化の速度に応答
する。このような状態は、スタイラス１４が加工片に接
触して振れはじめるときに、光スポット４８が検出器４
６の一方または他方に向けて移動するときに生じる。か
かる自動零回路の詳細はヨーロッパ特許出願公開番号Ｅ
Ｐ０２４２７４７（対応日本出願の公開番号は特開昭６
３−２４１０５号）に示されている。

【００２９】図４は図１および図２に示したプローブの
変形例を示す。平面ばね３０，リング３２および円筒３
４はほぼ三角形状をなす平面ばね５４で置き代えられて
いる。この三角形の各頂点部には、平面ばね５４を切欠
いて放射状のスロット５６を形成しておく。このスロッ
ト５６により各頂点部にフォークを形成する。ハウジン
グ１０に固着された３対のボール３６の代わりに、３個
の単独ボール５８を設け、各スロット５６を各ボール５
８の上に配置する。この配置によって、図１と同様の精
密な横方向休止位置を構成するが、この実施例の配置は
より廉価に製造できる。

【００３０】図１に示したスカート１８はセラミック材
料から作ることができ、表面２０を形成するハウジング
１０におけるセラミック環に対して押しつけるようにす
ることができる。セラミック材料は互いにこすり合わせ
てラップ仕上げ（なじみラッピング）することができる
ので、きわめて平坦な、したがって精密な着座部材を構
成するのに好適である。

【００３１】あるいはまた、表面２０とエッジ２２の表
面をラップ仕上げする代わりに、図１０に示すように、
スカート１８の下側表面に３個のボール１１４を設けて
もよい。これら３個のボール１１４はプローブの軸のま
わりに等間隔で配置され、表面２０に対して押しつけら
れる。米国特許第４，１５３，９９８号に述べられてい
るように、３個のボール１１４を板の上に配置した構成
により、ラップ仕上げする必要なしに、きわめて精密な
軸方向の休止位置を与えることができる。しかし、この
場合は３点支持であるので、このような構成はある程度
のローブを受けやすい。この場合のローブは図１の構成
の場合よりも悪いにも拘らず、スカート１８と表面２０
との間の摩擦力がきわめて小さいので、本例の構成は従
来例よりもよい。ローブの程度がこの摩擦力に比例する
のは勿論であり、スタイラス１４を振れさせるためには
この摩擦力に打勝つことが必要である。

【００３２】３個のボール１１４を有する構成を用いる
と、これらボール１１４と表面２０との間で電気的スイ
ッチングを行うことによってスタイラスの振れを検出す
ることが可能になる。このことは米国特許第４，１５３
，９９８号により詳しく述べられている。そのような場
合に、スカート１８上のボール１１４は、従来技術にお
いて必要である大きさよりもはるかに小さくすることが
できる。従来技術の構成では、負荷（ローディング）を
与える能力を与えるためには、ボールの半径をかなり大
きくすることが必要である。しかし、図１０のプローブ
では、スカート１８と表面２０との間の負荷はきわめて
小さいので、小さいボール１１４を用いることができる
。これにより、従来技術における大きい半径のボールの
場合と同様のヘルツ歪（Ｈｅｒｔｚｉａｎ　　ｓｔｒｅ
ｓｓｉｎｇ）がボール１１４と表面２０との間に生じる
ので、スカート１８と表面２０との間の負荷を小さく保
ってローブを最小限にしつつ、かかる接触の電気的特性
が悪影響を確実に受けないようにすることができる。

【００３３】スタイラスホルダ１２およびスタイラス１
４の各重さを適切に定めて、スタイラスとスタイラスホ
ルダの組合せについての重心ＣＧが、休止位置を規定す
る軸方向および横方向の拘束とほぼ同一の水平面内に位
置するようにするのが望ましい。このことは、スカート
１８を表面２０上の所定の位置に保つように軸方向負荷
を比較的低くするのにも拘らず、プローブが移動する際
に振動や慣性の効果に起因してスタイラス１４が偶発的
に振れる危険がほとんどないようにするのに役立つ。

【００３４】図１０の構成に代わる他の例としては、ス
カート１８の下側表面にボールのリングを配設して、表
面２０に対して押しつけるようにしてもよい。このよう
なボールのリングは、環状の板にあけた穴の各々にボー
ルの各々を挿着し、そしてこれらボールを適所に細管グ
ルーで接着して製造する。環状板を表面２０に締着し、
グルーを付けたときにボールを表面２０に接触させる。 これにより、すべてのボールが表面２０と接触するよう
にして軸方向の休止位置が正確に定められるようにして
ほぼローブのでない性能を与えるようにする。

【００３５】図５および図６は本発明プローブの第２実
施例を示す。ハウジング６０内にスタイラスホルダ６２
を設け、このスタイラスホルダ６２から、第１実施例と
同様に、スタイラス１４を吊り下げる。スタイラスホル
ダ６２は中間ケージ６４内に設けられ、図１の円筒３４
とボール３６にほぼ類似して配置された円筒６６と対の
ボール６８とによる運動学的配置によりそのケージ６４
内に配置される。円筒６６とボール６８はケージ６４内
のばね７０によって互いに係合するように偏倚されてい
る。

【００３６】ケージ６４はそれに吊下げて取付けられた
環状スカート７２を有する。このスカート７２は、図１
においてスカート１８がハウジング１０の表面２０と係
合しているのと同様に、ハウジング６０の表面７４と係
合する。図１の場合と同様に、スカート７２および表面
７４をセラミックとし、互いにこすり合わせてラップ仕
上げしてケージ６４に対する良好な軸方向休止位置を与
えるようにして製造する。ケージ６４をばね７６によっ
てこの休止位置に偏倚させる。ばね７６によるケージ６
４に及ぼされる力は比較的小さく、かつばね７０による
スタイラスホルダ６２に及ぼされる力よりもはるかに小
さいので、スカート７２と表面７４との間の軸方向の負
荷はきわめて小さい。これにより、スカート７２と表面
７４との間の摩擦はきわめて小さく、このことは、図１
のプローブと同様に良好なローブおよびヒステリシス特
性を与える。

【００３７】ケージ６４は平面ばね配置によって横方向
に休止位置に位置する。図５からわかるように、この平
面ばね配置はケージ６４とハウジング６０との間に直接
接続されており、そして、図１とは異なり、スタイラス
ホルダ６２には直接に固着されていない。平面ばね配置
の一例では、３つの細長い平面ばね７８を、図６により
明らかに示されるように、プローブの軸のまわりに三角
形配置にまとめられた形態で配設する。各ばね７８の一
端をケージ６４に固着し、同他端をハウジング６０に固
着する。これらばね７８には予め応力を与えてはおらず
、無負荷状態では平坦であり、したがって、スカート７
２と表面７４との間に負荷を与えるのには寄与しない。

【００３８】したがって、スタイラスホルダ６２は円筒
６６とボール６８により完全に運動学的形態でケージ６
４内に支持され、そして、ばね７０によってこの支持装
置に押しつけられる。ケージ６４内部のこれら部材のす
べては、ハウジング６０に対してそのまま一体的に動く
閉じた系を構成している。ケージ６４は、スカート７２
と表面７４とにより与えられる良好な軸方向の拘束、お
よび平面ばね７８により与えられる良好な横方向の拘束
を有する。

【００３９】作動にあたって、スタイラス１４が加工片
と接触して振れると、まず、スカート７２とケージ６４
とが表面７４から持上げられ、すなわち、一体となって
表面７４から傾く。スタイラスホルダ６２は、３つの永
久磁石８０（図５にはそのうちの１個のみが示されてい
る）によってケージ６４内で持上げられるのが阻止され
る。これら永久磁石８０は、円筒６６のボール６８との
係合状態を保つ。このようにケージ６４が持上げられ、
すなわち傾くのに対して、スカート７２と表面７４との
間に低い負荷を与えるばね７６の小さな力が抗するのみ
であるから、プローブの最初の運動は、図１のプローブ
の場合と同様の理由から、ローブのでない特性を有する
。更にまた、同じ理由から、スタイラス１４が最終的に
その休止位置に戻るとき、その休止位置にはヒステリシ
スはほとんどまたはまったくない。

【００４０】しかし、スタイラス１４が振れるときにケ
ージ６４が上述したように一体となって持上げられたり
、または傾けられるのは、スタイラス１４の振れの量が
きわめて小さなときにのみ成り立つ。スカート７２の上
側エッジとハウジング６０内壁に沿って延在する肩部８
４との間にきわめて小さいクリアランス、すなわち隙間
８２（たとえば１０ミクロン）がある。スタイラス１４
が十分に振れてこの隙間８２がなくなった後に、スタイ
ラス１４がさらに振れると、１個または２個以上の円筒
６６は、ばね７０および磁石８０の作用に抗して、各対
応のボール６８から外れる。

【００４１】図５および図６の実施例では、スカート７
２と表面７４との間のラップ仕上げによる環状の接触領
域は、もし必要ならば、板に係合した３個のボールある
いは板に係合したボールによるリングと置き代えること
ができる。これは、図１０に示した図１の変形例につい
て上述したところと同様である。

【００４２】図７はさらに他の実施例を示す。ハウジン
グ８８内にケージ８６を設ける。ケージ８６は、図１に
おける円筒３４とボール３６と同様に、ボール９０およ
びローラ９２の上に運動学的に配置される。ばね９４に
よりケージ８６をこれら円筒９２およびボール９０上の
運動学的に規定された休止位置に偏倚させる。

【００４３】ケージ８６の内部には、スタイラスホルダ
９６を設け、そのスタイラスホルダ９６から上述したよ
うにスタイラス１４を吊下げる。スタイラスホルダ９６
は、ばね９８により、ケージ８６をその休止位置に偏倚
させる力よりも小さい力で、ケージ８６内の休止位置に
偏倚させられる。ケージ８６内のスタイラスホルダ９６
の休止位置はダイアフラム状の平面ばね１００によって
横方向に規定される。。この平面ばね１００は、図１に
おける平面ばね３０と同様に、スタイラスホルダ９６の
中央の領域に接続される。しかし、平面ばね１００には
あらかじめ応力は加えられておらず、図７に示すように
平坦なときには無負荷状態にある。スタイラスホルダ９
６の休止位置は、スタイラスホルダ９６およびケージ８
６の平坦な表面によって位置１０２において軸方向に定
められる。これら表面は互いにこすり合わされてラップ
仕上げされて、上例と同じように、良好な軸方向の位置
決めがなされる。これを容易に行うために、前述したよ
うに、各部分をセラミック材料とすることができる。

【００４４】作動にあたっては、スタイラス１４が加工
片と接触して振れたときに、ケージ８６は最初はボール
９０および円筒９２により定められた運動学的休止位置
に静止したままとどまっている。最初の振れは、ケージ
８６内でスタイラスホルダ９６がばね９８の作用に抗し
て動くことによりはじまる。このような運動は平面ばね
１００が曲がることにより許容される。表面１０２にお
けるスタイラスホルダ９６とケージ８６との間の軸方向
の負荷は、前述したように、弱いばね９８のために、き
わめて軽い。その結果、スタイラス１４の振れにはロー
ブが生じることがなく、ヒステリシスもほとんどない。 その理由は前述したところと同様である。

【００４５】スタイラスホルダ９６がケージ８６の肩部
１０４と係合するまでには、ケージ８６間でのスタイラ
スホルダ９６は、比較的小さな量だけ動くことのみが許
容される。図５における肩８４と同じように、かかる係
合が生じるまでにわずかな隙間しかない。スタイラス１
４がさらに振れると、その振れは、ケージ８６がばね９
４の作用に抗して、運動学的着座部材９０，９２から外
れて、一体に動くことによって吸収される。

【００４６】上述した図５および図６の変形例と同様に
して、図７におけるラップ仕上げされた平坦な表面１０
２を板上に戴置された３個のボールまたは板上に戴置さ
れたボールの環で置換することもできる。

【００４７】図４〜図１０の実施例のいずれも、図１の
実施例について上述したように、スタイラスチップと加
工片との間の接触の瞬時を検出するための何らかの配置
を有するようにできる。

【００４８】本発明によれば、上述した実施例のすべて
において、平面ばね３０，７８または１００を大きい距
離にわたって曲げなくてもよいということがひとつの特
徴となっている。図５〜図７のプローブの場合、肩部８
４または１０４と係合する前の小さな隙間によって平面
ばねがさらに曲がるのが阻止されるからである。いずれ
の場合においても、スタイラス１４がさらに過度に動く
ことは、平面ばねがさらに曲がることなく、円筒６６，
９２とボール６８，９０とがはずれることによって処理
される。図１のプローブの場合、平面ばね３０が曲がる
のを阻止する肩部はないが、スタイラス１４が過度に動
くことは円筒３４とボール３６とが外れることによって
処理される。これに対比して、従来技術のプローブでは
、横方向の拘束は平面ばねで与えられるが、（上述した
米国特許第４，４５１，９８７号のように）、この平面
ばねはスタイラスが過度に動くのも許容しなくてはなら
ない。このような従来技術のプローブでは、スタイラス
がこのように過度に動くことを許容するために比較的可
撓性に富むフロッピーな平面ばねを必要とする。これに
対して、本発明によるプローブでは、このような必要は
なく、したがって、いずれの場合にも、平面ばねを実質
上よりも剛固なものとすることができる。これにより、
図１のスカート１８、図５のスカート７２または図７の
スタイラスホルダ９６に残っている何らかの横方向変位
に対して平面ばねが抵抗する力を著しく改善する。 横方向の抵抗がより強くなれば、表面２０と２２の間（
図１）、スカート７２と表面７４との間（図５）、およ
び表面１０２の間（図７）の摩擦接触のヒステリシスを
一層減少させることになる。

【００４９】本発明によれば、上述した実施例のプロー
ブのすべてがもつ他の特徴は、スタイラスの最初の振れ
に必要とされる力を故意にきわめて小さくなしてローブ
およびヒステリシスの問題を減少させ、あるいは除去さ
せるが、それにも拘らず、円筒３４，６６，９２をボー
ル３６，６８，９０の対に着座させる力がきわめて大き
くなり、それにより着座が良好になることを確保できる
ことにある。実際、円筒が各ボールと係合させられるの
に必要な力は、このような運動学的着座構成を有する従
来技術のプローブの場合に通常必要とされる力よりも大
きくすることができる。その理由は、本発明によれば、
この力を増加させても、プローブのローブおよびヒステ
リシスの性能を減じることにはならないからである。

【００５０】

【発明の効果】本発明では、固定部材と、加工片に接触
するスタイラスを支持する第１可動部材と、相互に係合
可能な少くとも１対の第１部材と、第２支持手段とを有
する第１支持手段であって、前記第２支持手段は前記第
１支持手段から独立しており、相互に係合可能な少くと
も１対の第２部材を有し、前記第１および第２部材のす
べてが係合して前記第１可動部材を前記固定部材に対す
る休止位置に保持するときに前記第１および第２支持手
段が互いに共働するようになした第１支持手段と、前記
第１および第２部材のすべてを偏倚させて係合させる第
１および第２偏倚手段であって、前記スタイラスが加工
片に接触するときに、前記対の第１および第２部材の双
方を、前記第１および第２偏倚手段の作用に抗して、係
合状態から外して、前記第１可動部材が前記休止位置か
ら前記固定部材に対して同じ方向に変位できるようにす
る第１および第２偏倚手段とを具え、前記対の第１部材
を前記対の第２部材よりも小さい偏倚力で偏倚させて係
合させ、それにより前記第１可動部材の変位時に前記対
の第１部材を前記小さい偏倚力に抗して係合状態から外
し、そして次に前記対の第２部材を係合状態から外すよ
うにしたので、第１支持手段を第２支持手段よりも小さ
い力で偏倚して、その摩擦をきわめて小さくすることが
でき、その結果スタイラスが振れるときのローブおよび
ヒステリシスの問題を解決して、プローブの精度を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明接触プローブの第１実施例を示す
縦断面図である。

【図２】図２は図１の線ＩＩ−ＩＩにおける横断面図で
ある。

【図３】図３は図１のプローブに対する検出器の構成を
示すブロック図である。

【図４】図４は第１実施例の変形例を図２に対応して示
す横断面図である。

【図５】図５は本発明接触プローブの第２実施例を示す
縦断面図である。

【図６】図６は図５の線ＶＩ−ＶＩにおける横断面図で
ある。

【図７】図７は本発明接触プローブの第３実施例を示す
縦断面図である。

【図８】図８は第１実施例１の他の変形例を図１の線Ｖ
ＩＩＩにおいて示す図である。

【図９】図９はさらに他の変形例を図８に対応して示す
図である。

【図１０】図１０は図１のプローブの他の変形例を示す
縦断面図である。

【符号の説明】

１０　　ハウジング １２　　スタイラスホルダ １４　　スタイラス １５　　スタイラスチップ １６　　開口 １８　　スカート ２０　　表面 ２２　　エッジ ２４　　ばね ２６　　円錐状部材 ２８　　くぼみ ３０　　平面ばね ３２　　リング ３４　　円筒 ３６　　ボール ３６ａ　　円筒状ローラ ３８　　合せピン ４０　　穴 ４２　　発光ダイオード ４４　　開口 ４６　　光検出器 ４８　　光スポット ５０　　自動零回路 ５２　　トリガ回路 ５４　　平面ばね ５６　　スロット ５８　　ボール ６０　　ハウジング ６２　　スタイラスホルダ ６４　　ケージ ６６　　円筒 ６８　　ボール ７０　　ばね ７２　　スカート ７４　　表面 ７６　　ばね ７８　　平面ばね ８０　　永久磁石 ８２　　隙間 ８４　　肩部 ８６　　ケージ ８８　　ハウジング ９０　　ボール ９２　　ローラ ９４　　ばね ９６　　スタイラスホルダ ９８　　ばね １００　　平面ばね １０２　　位置 １０４　　肩部 １０６　　円筒 １０８　　くぼみ １１０　　円錐部材 １１２　　円筒状延長部 １１４　　ボール

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　位置決定装置のための接触プローブで
   あって、固定部材と、加工片に接触するスタイラスを支
   持する第１可動部材と、相互に係合可能な少くとも１対
   の第１部材と、第２支持手段とを有する第１支持手段で
   あって、前記第２支持手段は前記第１支持手段から独立
   しており、相互に係合可能な少くとも１対の第２部材を
   有し、前記第１および第２部材のすべてが係合して前記
   第１可動部材を前記固定部材に対する休止位置に保持す
   るときに前記第１および第２支持手段が互いに共働する
   ようになした第１支持手段と、前記第１および第２部材
   のすべてを偏倚させて係合させる第１および第２偏倚手
   段であって、前記スタイラスが加工片に接触するときに
   、前記対の第１および第２部材の双方を、前記第１およ
   び第２偏倚手段の作用に抗して、係合状態から外して、
   前記第１可動部材が前記休止位置から前記固定部材に対
   して同じ方向に変位できるようにする第１および第２偏
   倚手段とを具え、前記対の第１部材を前記対の第２部材
   よりも小さい偏倚力で偏倚させて係合させ、それにより
   前記第１可動部材の変位時に前記対の第１部材を前記小
   さい偏倚力に抗して係合状態から外し、そして次に前記
   対の第２部材を係合状態から外すようにしたことを特徴
   とする接触プローブ。
2. 【請求項２】　　前記第２部材は運動学的支持装置を構
   成し、および前記第２支持手段は少くとも横方向の拘束
   を付与することを特徴とする請求項１記載の接触プロー
   ブ。
3. 【請求項３】　　前記第２支持手段は前記第１可動部材
   に軸方向の変位を許容すると共に前記横方向の拘束を付
   与する手段をさらに具えたことを特徴とする請求項２記
   載の接触プローブ。
4. 【請求項４】　　前記軸方向の変位を許容する手段は平
   面ばねを有することを特徴とする請求項３記載の接触プ
   ローブ。
5. 【請求項５】　　前記第１支持手段は前記第１可動部材
   に対して軸方向の拘束を付与し、前記第１部材を前記第
   １可動部材および前記固定部材の上にそれぞれ配置した
   ことを特徴とする請求項１〜４項のいずれかの項に記載
   の接触プローブ。
6. 【請求項６】　　前記対の第１部材は、前記第１可動部
   材および前記固定部材の一方の上に環を有し、および前
   記第１可動部材および前記固定部材の他方の上に平坦な
   表面を有することを特徴とする請求項１〜５項のいずれ
   かの項に記載の接触プローブ。
7. 【請求項７】　　前記第１支持手段は、前記第１可動部
   材および前記固定部材の一方の上に３個の前記第１部材
   を有し、該３個の第１部材は前記第１可動部材および前
   記固定部材の他方の上の３位置と係合可能であることを
   特徴とする請求項１〜５項のいずれかの項に記載の接触
   プローブ。
8. 【請求項８】　　第２可動部材を有し、前記第１および
   第２支持手段の一方を前記第１および第２可動部材の間
   に設け、および前記第１および第２支持手段の他方を前
   記第２可動部材と前記固定部材との間に設けたことを特
   徴とする請求項１または２記載の接触プローブ。
9. 【請求項９】　　前記第１支持手段を前記第２可動部材
   と前記固定部材との間に設け、および前記第２支持手段
   を前記第１および第２可動部材の間に設けたことを特徴
   とする請求項８記載の接触プローブ。
10. 【請求項１０】　　前記第１支持手段を前記第１および
    第２可動部材の間に設け、および前記第２支持手段を前
    記第２可動部材と前記固定部材との間に設けたことを特
    徴とする請求項８記載の接触プローブ。
11. 【請求項１１】　　前記第１部材は軸方向の拘束を付与
    し、および前記第１支持手段は、前記第１部材が係合状
    態から外れるときに、横方向の拘束を付与すると共に前
    記第１可動部材に軸方向の変位を許容する手段をさらに
    具えたことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかの項
    に記載の接触プローブ。
12. 【請求項１２】　　前記横方向の拘束を付与する手段は
    平面ばねを有することを特徴とする請求項１１記載の接
    触プローブ。
13. 【請求項１３】　　前記第１支持手段は、前記第１部材
    が係合状態から外れるときに、当該第１部材が互いに離
    隔する動きを制限する当接手段を含むことを特徴とする
    請求項８〜１２項のいずれかの項に記載の接触プローブ
    。