JPH05508476A - 測定プローブ - 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】 測定プローブ　。

及ユニ１１ １、発明の技術分野 本発明は測定プローブ、特に、弾性平坦支持体によって定められるゼロないしは 休止位置からのスタイラスアッセンブリの偏位を測定する能力を有する測定プロ ーブに関する。この型式のプローブは、ワークピースの形状を測定するためにそ の表面を走査するのに用いられる。

２゜関連技術の記述 このようなプローブは、例えば英国特許明細書第１．５７３，４４７号から知ら れている。この明細書は、ワーク接触スタイラスが取付けられたスタイラスアッ センブリが、平坦スプリングによって休止ないしはゼロ位置（すなわち、外的負 荷がスタイラスにかけられていない位置）に支持されているプローブを記述して いる。この型式のプローブは可動部品が少ししかなく、それ故に製作が比較的安 価にできるという有利性を有している。

しかしながら、このようなプローブは一つの問題に悩まされている。スタイラス の長手方向軸線（以下、プローブのＺ軸と称す）方向に体゛止位置からスタイラ スに所定の偏位を生じさせるのに要する力、およびこのＺ軸に対しス゛タイラス を傾けるという意味で同じ程度の偏位を生じさせるのに要する力は互いに依存す るということである。すなわち、これらの動きの一つに関してばね定数（ｓｐｒ ｉｎｇ　ｒａｔｅ）を変更するようなプローブに対する修正は、他に関してのば ね定”数にも影響を及ぼす。

例えば、上述のプローブ設計では、Ｚ方向のばね定数はスタイラスを傾けるとい う意味におけるばね定数よりも大きいというのが通常のケースである。

このことは、プローブがワークピース表面を走査するアナログプローブとして用 いられ、スタイラスが連続的に接触している場合に問題を生ぜしめる。つまり、 スタイラス先端が、Ｚ軸方向においてスタイラスの圧力を増大せしめるような表 面の傾斜における変化に出会ったとき、スタイラスは所望の平面内に留まるかわ りに、傾きを抑制する力が小さいために、側方に滑るかもしれない。

多（の走査動作では、機械制御システムは、Ｘ、　Ｙおよび２方向のプローブ出 力から表面に垂直なベクトルを計算し、それからこの計算されたベクトルに対し 垂直な方向にプローブを駆動することに基づいて作動している。かくて、プロー ブの読取りが表面の傾斜につき誤った指示（スタイラスの側方への滑りによる） を与えると、制御はプローブを誤った方向に駆動してしまい、走査工程を遅くす る。

本発明はこれらの２つの力が独立的に調整され得る上述の型式の測定プローブに よって、これらの問題を改善せんとするものである。

本発明による測定プローブは、機械の可動アームにプローブが結合されるための 固定構造体；中間部材； 該中間部材を軸線に沿って直動すべく支持する支持手段； 前記中間部材が前記軸線に沿って休止位置から移動したとき前記中間部材に該中 間部材を前記休止位置に戻すように作用する偏倚力を付与する手段；前記中間部 材に設けられ前記軸線に直交する平面内に延びるダイアフラム； および、 ワークピース接触スタイラスを支持するスタイラス担持部材であって、担持部材 ひいては前記スタイラスの前記軸線に対する傾動を可能とすべ（前記ダイアフラ ムに結合された担持部材を有する。

支持手段は、軸線方向における組合わされたばね定数が例えば選択され得、その 結果、所定の長さのスタイラスに対してスタイラス担持部材（ひいてはスタイラ ス）の傾きに関するカー偏位特性と等しくなるような対のダイアフラムによりも たらされるのが好ましい、スタイラスの傾きという意味およびスタイラスの長手 方向の偏位という意味での所定の大きさの偏位を発生するのに必要な力はか（て 同じとなる。

本発明の独立した形態は、上述のプローブとの関連において用いられ得る変換配 列に関する０本発明の第２の形態によれば、変換アッセンブリは固定構造体に設 けられ光ビームを発生する光源と、光ビームと整合されて固定構造体に設けられ た光検出器と、スタイラス担持部材の動きに対応して動くべくスタイラス担持部 材に連結され、かつ光源と光検出器との間に位置され光ビームの部分の光検出器 の表面への通過を許容する開口を有するシャッタとを有し、前記光検出器は前記 光ビームの部分の前記光検出器上の入射の位置の所定方向への移動を示す少なく とも一つの信号を発する。

本発明の実施例が添付図面を参照しつつ例示として述べられる。

図面の簡単な説明 第１図は１本発明によるプローブの第１実施例の断面図である。

第２図は、第１図の細部図である。

第３図は、第１図のＩＩＩ−ＩＩＩ線上の断面図である。

第４図は、第１図および第３図のさらなる細部図である。

第５図は、本発明によるプローブの第２実施例の断面図である。

第６図は、第５図の細部図である。

第７図は、第５図のプローブの変形例の断面図である。

第８図は、本発明によるプローブの第３実施例の断面図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照するに、測定プローブは筒状ハウジングｌＯによりもたらされる固 定構造体を有している。筒状ハウジング１０にはこれに対し３次元方向への動き を許容する機構によってスタイラス保持部材１２が支持されている。懸架機構は スリーブ１４の内側に担持され、スリーブ１４は、その底部の３つのフランジ１ ８を通して突出し、ハウジングｌＯの底部に外方に向けて設けられた環状フラン ジ２０と螺合する３つのボルト１６を介してハウジングｌＯに結合されている。

懸架機構はスリーブ１４に結合された２つの弾性ダ・イアフラム２４Ａ、　２４ Ｂに支持されている筒状の中間部材２２を有している。中間部材２２は内側の中 空筒状部材２６と外側の筒状部材３０とを含み、内側の筒状部材２Ｇはその中心 を通るポア２８を定めている。ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂはボア２８に螺合 するロッキングナツト３２でもって中間部材２２に結合されている。ロッキング ナツト３２は、スペーサ３４と外側筒状部材３０との間で上側ダイアフラムＺ４ Ａを、および外側筒状部材３０と他のスペーサ３６との間で下側ダイアフラム２ ４Ｂを圧縮すべくスペーサ３４を支えている。他のスペーサ３６は内側筒状部材 ２６の底部に外方に向けて設けられた環状フランジ３８にさらに支えられている 。かくて、中間部材２２は、ハウジングｌＯに対する軸線Ａに沿う動きのために ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂに支持されているが、ダイアフラム２４Ａ、２４ Ｂは軸線Ａに直交する軸線回りの回転運動を制限している。

ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂは中間部材２２の軸線Ａに沿う運動方向において は比較的低いカー偏位特性を有することが望ましい、この特性を得るダイアフラ ムの設計の一例が第２図に示され、これは中間部材２２が延通し基本的に３つの 脚部を備えたコアを残すように３つのスリット４２．４４．４６が形成された円 形シート材料４０を有している。　Ｐ、Ｑ、Ｒで示す３つの脚部は、連続する環 状周辺部４８と３つの横道にそれたストラットＤ、Ｅ、Ｆでもって連結されてい る。ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂはその平面内における中間部材２２の横方向 の動きあるいは回転を制限しているが、中間部材２２の２軸に沿う変位の結果、 ハウジングｌＯに対し中間部材２２の若干の回転が生ずる。

再度、第１図を参照するに、スタイラス保持部材１２は下側ロッキングナツト５ ２と外方フランジ３８との間にクランプされている他のダイアフラム５０上に中 間部材２２と相対的に支持されている。このダイアフラム５０は、中間部材２２ に対するスタイラス保持部材１２の軸線六方向における偏位に対し比較的剤いこ とが好ましい。しかしながら、ダイアフラム５０は軸線Ａに対する傾きという意 味において中間部材２２に対するスタイラス保持部材１２の比較的容易な動きを 許す、このために、ダイアフラム５０はスリットとか他の変形を有さない単純な 円状平坦ダイアフラムスプリングであることが好ましい。

スタイラス保持部材１２は３つのボール５４を支持しており、これらは下側表面 から突出している。ボール５４は、各ボール５４をプレート５６の上側表面に隣 接して設けられた対のボール５８によってもたらされる集束表面に係合させるこ とによって、スタイラス担持プレート５６をスタイラス保持部材１２上に配置す るのに役立っている。スタイラス担持プレート５６は、このプレート５６とスタ イラス保持部材１２とにそれぞれ設けられたマグネット６０．６２によって、ス タイラス保持部材１２に保持されている。プレート５６と部材１２との間のこの 運動学的（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）係合の形態は種々の機能をはたす。

まず第一に、プレート５６を部材１２との係合から取除き、その後、プレート５ ６に支持されているスタイラス６６の検知先端６４の位置を決定すべくプローブ を再基準合せする必要なしに置換えることができる。第二に、この係合は有用な りラツシエ保護機能をもたらす。すなわち、スタイラス上の横方向の力が、懸架 機構の損傷を生じる程度に増大したようなときにプレート５６は部材１２との係 合から外れ単に落下する。これを達成するのに要する力は、そのように選定され たマグネット６０および６２間の力に従う。

スタイラス保持部材１２は、さらに、中間部材２２に沿って延びそのボア２８の 内側を越えて突出する延長ステム７０を有している。ステム７０の自由端はこの ようにダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂで囲まれた空間を越えて突出している。ス テム７０はその自由端にＬ字状断面（図３参照）を有するシャッタ７４形態の変 換（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）部材を保持している。シャッタ７４はボルト７８で もってブロック７６上に支持されており、ブロック７６は保持ステム７０の内側 に螺合するボルト８０により保持ステム７０に結合されている。変換部材７４は 軸線Ａに対する傾き運動および軸線Ａに沿う長手方向運動のために、スタイラス 保持部材１２に固定的に結合されている。ハウジング１０に対する変換部材７４ の動きは、かくてハウジング１０に対するスタイラス６６の検知先端６４の対応 する動きと正確に比例する。

第１図に示すｘ、　ｙ、　Ｚ方向における変換部材７４の動きの大きさはトラン スデユーサハウジング８２内に保持されている３つのセンサによって検知される 。各センサは一緒に光ビームを発するＬＥＤ８４と関連するコリメイトレンズ８ ６とを含む０位置感知光検出器８８がこの光ビームと位置合せされハウジング８ ２の反対側に設けられている。変換部材７４は３つの延長スリット９０Ａ、　９ ０Ｂ。

９０Ｇの形態の３つの開口を有し、スリット９０Ａ、９０Ｂ。

９０Ｇは関連するセンサの光ビームと整合されて横たわっている。スリット９０ Ａ、　９０Ｂ、９０Ｇはダイオード８４からビームが部分的に位置感知検出器８ ８の表面に通過することを許容し、例えば、Ｙ方向へのスタイラス６４ひいては 変換部材７４の傾きはスリット９０Ｂ（第４Ａ図、第４Ｂ図参照）を位置感知検 出器８８に対し動かすことになる。この傾きの最中にスリット９０Ｂは光ビーム の中に残るが、スリット９０Ｂを通過している光ビームの検出器８８の表面にお けるＹ方向の変位はスリットの動きにより変化している６位置感知検出器８８の 出力はこれに応じて変化し、スタイラスの先端６４のＹ方向の移動を示す。Ｘお よびＺ方向の変換部材７４の動きのために、同じ変換配列が、スリット９０Ａ、 　９０Ｇおよび関連するエミッタ検出器によって設けられている。

スタイラス保持部材１２がハウジングに関してその休止位置に在るときに、関連 する検出器に入射する光ビームの部分が検出範囲の中央にあるように各スリット ９０Ａ、　９０Ｂ、　９０Ｃを位置させるために、トランスデユーサハウジング ８２はＸおよびＹ方向にハウジング１０に対し４つの調整ねじ９２によって調整 可能である。トランスデユーサハウジング８２に関する変換部材７４の高さの調 整は、担持ブロック７６と担持ステム７０との間に位置されているシム９４の数 によって行われる。

ハウジング１０に対するスタイラス担持部材１２の傾動の程度は担持ステム７０ とポア２８との間のクリアランスによって制限されている。

かくて、ロックナツト３２はＸおよびＹ方向におけるハウジングエ０に対する担 持ステム７０の傾動のためのストッパをなしている。支持ブロックに設けられた フランジ９８は、スリーブ１４に内側に向けて形成されたフランジ１００および トランスデユーサハウジング８２における下側リップ１０２によって定められた 制限の間をＺ方向に移動可能である。

上述の構成のプローブにおいて、ＸおよびＹ方向での軸線Ａに対する担持部材１ ２の傾きという意味におけるばね定数は、ダイアフラム５０のばね定数とスタイ ラス６６の長さとに完全に依存する。一方、軸線Ａの方向（すなわち、Ｚ方向） に沿う長手方向における担持部材１２の移動という意味においてのばね定数は、 ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂの組合わされたばね定数のみによって決定される 。このように、スタイラス担持部材１２の傾きに関するばね定数は担持部材１２ の長手方向移動に関するばね定数とは完全に独立している。それ故に、スタイラ スの所定の長さに対しては、検知先端６４上の力がＸ、ＹおよびＺ方向における 偏位に対して等しくなるように、ダイアフラム２４Ａ、　２４Ｂのばね定数を選 ぶことが可能である。ただし、下記の点に注意すべきである。ダイアフラム５０ の実際のばね定数は、スタイラス６６の長さが変ったときに変化せず、スタイラ ス６６の長さの変化はダイアフラム５０へのモーメント、かくて、スタイラス先 端６４に所定の偏位を生じさせるに必要な力を変化させる。このことばばね定数 の変化と均等である。

本発明のさらに重要な一面はトランスデユーサハウジング８２におけるセンサと 変換部材７４との間の関係に在る。各開口９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｇに関するセン サはハウジングｌＯに関して静止している。各センサはかくてハウジングに対し て直接的にそれぞれの方向における変換部材７４の動きを変換する。プローブの 可動部分にセンサをマウントすることによる累積的誤差がかくて避けられる。ま た、各スリット９０Ａ、　９０Ｂ、　９０Ｃは関連するトランスデユーサが測定 する方向に対し横切るように延在されているので、測定方向に直交する方向の変 換部材の移動が信号のいかなる損失なしに許容される。

本発明の第２の実施例を図５を参照しつつ説明する０本例では、プローブは外側 ハウジング１１０を有し、その中に筒状のスタイラスアッセンブリ１１２がマウ ントされている。スタイラスアッセンブリ１１２は長平方向軸線１１２人を有し 、筒状のボディ１１５にねじ結合１１６によって結合されたスタイラス１１４を 有している。スタイラス１１４はハウジング１１０から突出し終端にワーク接触 球先端１１ｇを有している。

スタイラスアッセンブリに対する支持は２つの部分にある。第１の弾性支持、本 例においては弾性平坦スプリングダイアフラム１２０がねじ１２３で締付けられ たクランブリング１２１および１２２によってその周辺部がハウジング１１０に クランプされているい筒状ボディ１１５の一端は平坦スプリング１２０にその中 央において他のクランプ配列によって結合されている。クランプ配列は、肩１２ ６を有し外側にねじが形成されたリング１２５を含み、該リング１２５はボディ １１５に例えば接着剤によって接合されている。ダイアフラム１２０はボディ１ ．１５の貫通を許容する中心開口１２７を有する。

しかし、この間口１２７はスプリング１２０が肩１２６に載置できるように肩１ ２６よりも小径である。内側にねじが形成された第２のクランブリング１２ｇが 、スプリング１２０を肩１２６上にクランプするためにリング１２５に螺合され ている。この第１の支持はスタイラス先端１１８がＸおよびＹ軸方向の力によっ て作用されたときに、スタイラスアッセンブリ１１２ひいてはスタイラスのダイ アフラム１２０の平面の軸線まわりの傾動を許容する。さらに、第１の支持は、 スタイラスがＺ方向の力によって作用されたときに、スタイラスアッセンブリ１ １２の長手方向軸線１１２Ａの方向に直線的にスタイラスアッセンブリ１１２が 動くことを許容する。しかしながら、ダイアフラムの面内におけるスタイラスア ッセンブリの横方向の動きは、ダイアフラム１２０がその平面に留まっている間 の２軸まわりの回転と同様に拘束されるようにダイアフラム１２０は設計されて いる。

本発明により導入された第２の支持は、本例においては第２の弾性平坦ダイアフ ラム１３０として示されている。ダイアフラム１３０はクランブリング１３１８ よび１３２の間にねじ１３３でもってハウジング１１０にクランプされている。

リング１３１はプローブのエンドキャップ１３４の一部を形成しており、リング １３２はそれ自体ハウジングに接合されているか、あるいは不図示のねじにより 螺合されている。

スタイラスアッセンブリ１１２の自由端１１９（すなわち、スタイラスに対向す る端部）は、この自由端１１９の横方向の動きを許容する手段、本例ではワイヤ １３５によりダイアフラムの中心に結合されている。

ワイヤ１１５はその両端の一方において筒状ボディ１１５の自由端１１９に適合 されたロッドの縮径部分として形成されている。かくて、ロッドは光学的変換シ ステムの一部として用いられるプラグ１１５Ａを形成している（第６図参照）。

ロッドはその他端においてクランプ配列によりダイアフラム１３０の中心部に結 合されている。クランプ配列はロッド上の肩１３６およびエンドキャップ１３４ を貫通するスペーサ１３７を含む。ダイアフラム１３０は肩１３６およびスペー サ１３７の間にねじ１：３８　ｉ３よびワッシャ１３９によってクランプされて いる。ダイアフラム１３０はスペーサ１３７により緊密にクランプされているけ れど、スペーサはエンドキャップ１３４とワッシャ１３９との間にクリアランス １４０をもたらすように配列されている。クリアランス１４０はスタイラスアッ センブリの軸方向運動を許容する。しかし、ワッシャ１３９は、スタイラス１１ ４に過剰な力が作用した場合に弾性支持の過大応力を防ぐために軸方向運動を制 限するストッパを提供する。

ダイアフラム１３０は第１のダイアフラム１２０によって与えられるスタイラス の２方向の動きに対する抵抗に加えて抵抗を与える、同様に、ワイヤ１３５と第 ２のダイアフラム１３０との組合わせが、第１のダイアフラム１２０によって与 えられるスタイラスのＸおよびＹ方向の偏位に対する抵抗に加えて抵抗を与える 。か（て、少なくとも一つのスタイラス長さについて、２つのダイアフラム１２ ０．１３０とワイヤ１３５の組合わせを設計し、スタイラスに加わる力の方向に かかわらず所定の力を加えることで、Ｘ、ＹあるいはＺ方向におけるスタイラス 先端１８の同じ偏位を得ることを確実とすることが可能である。ダイアフラムの 設計は第２図に示したように行う。スタイラスアッセンブリのＸ、Ｙ方向の傾き と２軸方向移動を許容するが、スタイラスのＺ軸まわりの回転を防止するダイア フラムの代替的な設計は英国特許明細書第１，５７３，４７７号に示されている 。

第６図は変換（ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ）システムの詳細を示している。開口１ ４５．１４６および１４７はプラグ１１５Ａを貫通して形成され、プラグ１１５ ＡはＸおよびＹ方向の最大偏位が感知されることを可能とするため、平坦ばね１ ２０から最も遠いスタイラスアッセンブリの部分である。

光源１４１１．１４９および工５０（好ましくはＬＥＤ）がハウジング１１０に 開口と同じ高さで設けられており、この結果、光源からの光ビームは作動時に開 口を通過しＬＥＤに対向するハウジングに設けられた分割フォトダイオード検出 器１５１．１５２および１５３に入射する。検出器はその各半分に入射する光量 に依存する電気信号を発し、後述の配列を用いることにより、この信号がスタイ ラスアッセンブリのＸ、Ｙ８よびＺ方向の偏位の大きさを示すようにすることが できる。

３つの検出器は、Ｘ、ＹおよびＺの３方向のどの方向でも唯一の検出器がスタイ ラスの偏位を検出するように、その分割線が方向付けられている。

かくて、例えばＬＥＤＩＩが開口１４５を介して分割検出器１５１を照射する０ 分割検出器１５１はＸＹ平面に横たわる分割線を有しており、スタイラスアッセ ンブリの主にＺ軸方向の動きを検出する。同様に、ＬＨＤ１４９は開口１４７を 介して分割検出器１５２にビームを照射する。

分割検出器１５２はＸＺ平面に横たわる分割線を有しており、スタイラスアッセ ンブリの主にＹ軸方向の動きを検出する。一方、ＬＥＤ１５０は開口１４５およ び１４７に対し直角に横たわる開口１４６を介して分割検出器１５３を照射する 。分割検出器１５３はＹＺ平面に横たわる分割線を有しており、スタイラスアッ センブリの主にＸ軸方向の動きを検出する。

前述の実施例において、スタイラスが傾くと、ＸあるいはＹ方向の動きに加えて Ｚ方向にもスタイラスの開口の二次的動きが生ずるが、これらは無視し得る程度 に小さい。

本発明の代替的な実施例では、第２のダイアフラム１３０およびワイヤ１３５が ３つ以上のコイルスプリングによって置換えられる。これらのコイルスプリング はスタイラスアッセンブリ１１５の自由端とハウジング１１０との間に横向きに 張設され、第２のダイアフラム１３０およびワイヤ１３５に代えて設けられても よい。

かくて、スタイラス１１４がＸあるいはＹ方向に力の作用によりダイアフラム１ ２０につき傾くと、コイルスプリングの１つ以上がその長さが変わり、そのよう な傾動に対し付加的な抵抗を与える。しかしながら、スタイラスにＺ方向におけ る純粋な軸方向の力が作用するときには、コイルスプリングは曲がる、および／ またはそれらの係止点を中心として回動し、スタイラスの軸線方向の偏位に対し 極めて小さい抵抗を付加する。

従って、例えばダイアフラム１２０およびコイルスプリングの組合せを注意深（ 設計することにより、いかなる力の組合せに対してもＸ、ＹあるいはＺ方向にお けるスタイラス先端の偏位をほとんど等しくすることができる。

第５図の実施例では、スタイラスはスタイラスアッセンブリに螺合されるとして 述べたが、代替案においては、スタイラスアッセンブリの残りの部分に磁気的に クランプされるようにしてもよい。そのようにすると、異なる走査動作に適合す る他のスタイラスへの交換が、容易かつ迅速に行われる。また、前述したように 、このような磁気的クランプ配列は、スタイラスに過剰な力が作用した場合のダ イアフラムの損傷を防止する破壊保護をもたらす。

そのような構造の一例が第７図に示されている。第５図に示したものと同一の部 位には同一符号が付与されている。ボディ１１５にはその端部に等間隔で半径方 向に延びる３つのリブ１６０が設けられ、スタイラス１１４にはその端部に同様 にリブ１６１が設けられている。各リブ１６０にはその端面の半径方向最外方に 柱状のローラ１６２が設けられ、スタイラス１１４にはその端面の半径方向最外 方にボール対１６３が設けられている。ボール対およびローラはスタイラスのボ ディ１．１ｓ上における運動学的着座配列（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ　ｓｅａｔｉｎ ｇａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を提供している。

対向する対のマグネット１６５および１６６が、ボディ１１５およびスタイラス １１４のそれぞれに設けられており、スタイラスへの通常の力の作用下において スタイラスを所定位置に保持する。過剰な傾動力がスタイラスに加えられたとき 、磁気的結合が破壊し、弾性支持に損傷が生ずる前にスタイラスの落下を許容す る。

さらに他の実施例につき第８図を参照しつつ述べる。プローブは筒状ハウジング ２１Ｏの形態の固定構造体を有し、これによりプローブはこれが使用される座標 位置決め棲械の可動アームに支持される。スタイラス保持部材２１２は第１ダイ アフラム２１４に支持され、球状の検知先端２２０を有するスタイラスに螺係合 ２１６でもって結合されている。ダイアフラム２１４はボルト（不図示）により 締結された２つのクランブリング２２２、２２４の間において筒状ハウジング２ １０にクランプされている。ダイアフラム２１４はスタイラス保持部材２１２お よびスタイラス２１８のＸおよびＹ方向の傾動を、スタイラス保持部材２１２の Ｚ方向における長手方向の動きと共に許容する。スタイラス保持部材２１２は短 いロッドスプリング２２６を介して伝達部材２２８に連結されている。伝達部材 ２２８は他のダイアフラム２３０に支持されている。他のダイアフラム２３０は ボルト（不図示）により締結された２つのクランブリング２３２、２３４の間に おいてハウジング２１０に固くクランプされている。ダイアフラム２３０は伝達 部材２２８のＸおよびＹ方向の傾動およびＺ方向における長手方向の動きを許容 する。

スタイラス先端２２０の公称休止位置からの偏位の大きさおよび方向を測定する ための変換システムは、本出願の第１の実施例に用いたシステムと同じである。

簡単に述べると、このシステムは伝達部材２３８に直接支持されダイアフラム２ ３０の上方に延びるＬ字状断面の変換部材２３６を有している。前例と同じく、 変換部材２３６は３つのスリットを含み、そのうち２つは２３８Ａ、　２３８Ｃ の符号でズ示されている。各スリットに関連するセンサは、光ビームを発生する ＬＥＤ２４０と関連するコリメイトレンズ２４２、ハウジングに支持され光ビー ムと整合されて位置された位置感知光検出器を含む。

変換部材の動きはそれぞれのビームの範囲内においてスリットの動きを生じさせ 、スリットにより伝達されるビームの一部の対応する動きを光検出器２４４の表 面を横切らせる。これは変換部材２３６およびスタイラス先端２２０の位置を示 す光検出器２４４の出力の変化となる。

ロッドスプリング２２６はスタイラス担持部材２１２のＸおよびＹ方向の傾動に 対する付方ロ的な抵抗をもたらすのに役立っている。これによりスタイラス担持 部材２１２ひいてはスタイラス２１８を傾けるのに必要な力を増大する。スタイ ラス２１８に与えられた所定の長さに応じてロッドスプリングの剛性を選択する ことによって、Ｘ、ＹおよびＺ方向におけるスタイラス２１８の偏位に必要とさ れる力を等しくすることができる。ロッドスプリング２２６は、スタイラス先端 ２２０の偏位が動きの高い頻度で常に変換部材２３６の偏位に一致するように、 可能な限り短（するべきである。このことは変換部材の動きがスタイラスの動き の指向に残ることを確実とする。

上述のように本発明に従ってつくられたプローブはスタイラスの偏位の範囲が比 較的小さい。これらの偏位は光検知システムによって正確に記録され得、かくて プローブは高速作動サーボシステム（例えば、更新期間が少なくとも１ミリ秒） と共に用いるのにかない、高速かつ正確で比較的廉価な走査システムを生み出す 。

第１図および第５図に示したプローブの変形例では、対のダイアフラム２４Ａ、 　２４Ｂおよび１２０．１３０を、スタイラスをその休止位置に復位させるため の軸線方向の力の大部分を与えるように設けられている別の軸方向スプリングを 用い、主にスタイラスの案内のために使用してもよい。これは軸線（Ｚ）方向に おけるばね定数の他の調整方法である。　′ ＺおよびＸ、Ｙ方向におけるスタイラスアッセンブリの偏位のための相対的なば ね定数はプローブが使用されている機械の動きを制御するのに用いられているア ルゴリズムに従って選ばれる。第１図、第５図および第８図に記載の実施例では 、別の軸方向スプリングは用いられていないのがわかる。これらの例において、 ダイアフラムにより与えられる軸方向の復位力がＺ方向におけるスタイラスの許 容された動きの範囲内で比較的小さいなら、軽量の中空スタイラスアッセンブリ でもって、プローブに、２方向において高速の動的応答性を、およびＸ、Ｙ方向 においてより遅い動的応答性を与える。この設計はワークピース表面上の障害物 のまわりでスタイラスが側方に滑ることにより引き起される問題を低減する。そ のようなプローブにおいては、スタイラスの移動に対する力の対称性は達成でき ないけれども、前述の問題を最小とするために高速作動サーボ制御システムと組 合せて高速のＺ方向応答性を用いることができる１代わりに、軸線方向の動きを 与えるダイアフラムなそれらのばね定数が比較的高くなるように選定してもよ（ 、かくて移動特性が対称なプローブを作成する。

既述の光学的センサ以外のセンサも、充分な速さで作動できることを条件として 用いることができる。例えば、誘導あるいは容量型センサもＸ、ＹあるいはＺ方 向偏位を検知するのに用いられ得る。また、歪ゲージを、スタイラス先端の偏位 の３方向の成分を測定するために、ダイアフラム上またはスタイラス上に位置さ せてもよい。

第１図ないし第４図の位置感知検８器または第５図および第６図の分割検出器が 用いられている光学的センサは、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅ ｖｉｃｅ）アレイおよび補間回路（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ）あるいは他の適 当な光検出器に置換えてもよい。

要約書 測定プローブはスタイラス（６６）が磁気的に保持されているスタイラス担持部 材（１２）を有している。担持部材（１２）は中間部材（２２）に対して傾動の ために平坦なダイアフラムスプリング（５０）に支持されている。中間部材（２ ２）はハウジングに対して直線的動きのために２つのさらなるダイアフラム（２ ４Ａ、　２４Ｂ）に支持されている。ダイアフラム（５０）およびさらなるダイ アフラム（２４Ａ、　２４Ｂ＞のばね定数はプローブにＸ、ＹおよびＺ方向にお いて所望の相対的な力／変位特性を与えるよう選ばれている。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．機械の可動アームにプローブが結合されるための固定構造体； 中間部材； 該中間部材を軸線に沿って直動すべく支持する支持手段； 前記中間部材が前記軸線に沿って休止位置から移動したとき前記中間部材に該中 間部材を前記休止位置に戻すように作用する偏倚力を付与する手段；前記中間部 材に設けられ前記軸線に直交する平面内に延びるダイアフラム； および、 ワークピース接触スタイラスを支持するスタイラス担持部材であって、担持部材 ひいては前記スタイラスの前記軸線に対する傾動を可能とすべく前記ダイアフラ ムに結合された担持部材を有する座標位置決め機械に用いられる測定プローブ。
2. ２．前記支持手段は、前記固定構造体と前記中間部材とに結合され、前記軸線に 直交する平面内に延び、該軸線に沿って離間されているさらなる対のダイアフラ ムを含む請求の範囲第１項に記載の測定プローブ。
3. ３．前記軸線の方向における所定長さのスタイラスに対し、前記対のダイアフラ ムの前記軸線方向における組合わされたばね定数が前記スタイラスの傾きという 意味における前記最初に述べたダイアフラムのばわ定数と等しい請求の範囲第２ 項に記載の測定プローブ。
4. ４．前記対のダイアフラムは各々複数個のスリットを有する平坦ボディを有して いる請求の範囲第３項に記載の測定プローブ。
5. ５．前記中間部材は中空ボディを有し、前記スタイラス担持部材は、前記最初に 述べたダイアフラムから一方向に前記軸線に沿い前記中間部材の中空ボディを通 り前記対のダイアフラムに囲まれる空間を越えた点まで延びるアームを有する請 求の範囲第１項に記載の測定プローブ。
6. ６．前記プローブは前記スタイラス担持部材の前記固定構造体に対する動きの大 きさおよび方向を測定するための変換手段を有し、該変換手段は前記スタイラス 担持部材のアームに設けられた少なくとも一つの変換部材を有し、および前記変 換部材の動きを検知するために前記固定構造体に設けられた少なくとも一つのセ ンサを有する請求の範囲第５項に記数の測定プローブ。
7. ７．前記少なくとも一つのセンサは、前記固定構造体に設けられ光ビームを発生 する光源と、光ビームと整合されて前記固定構造体に設けられた光検出器とを有 し、 前記変換部材は、前記光源と光検出器との間に位置され前記光ビームの部分の前 記光検出器の表面への通過を許容する開口を有するシャッタを有し、前記光検出 器は前記光ビームの部分の前記光検出器上の入射の位置の所定方向への移動を示 す少なくとも一つの信号を発する請求の範囲第６項に記載の測定プローブ。
8. ８．前記開口がスリットの形態を有する請求の範囲第７項に記載の測定プローブ 。
9. ９．前記スリットが前記所定方向を横切る方向に延びている請求の範囲第８項に 記載の測定プローブ。