JPH0756441B2 - 直線寸法を検査するプローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 円対称の第１参照表面（６）を規定する支持ケース（１
−４）；円対称の第２参照表面（21）と、検査されるべ
きワークピース（42）を接触するための探子（13）を運
ぶアーム（12）とを含む可動構造体（12-16）であっ
て、可動構造体は可動構造体の少なくとも一部分（12-1
6）が長手軸線に沿って実質的に配置された中心位置を
とりやすいもの；可動構造体の位置に依存する信号を供
給する検出手段（９）；および前記第１（６）および第
２（21）参照表面を互いに付勢するための支持ケースと
可動構造体との間に位置するトラスト手段（32）を備
え、可動構造体は前記長手軸線に沿う限定横変位および
長手軸線に垂直な任意の方向の軸線まわりの限定回転変
位を達成できる、マシンツールまたは測定マシーンにあ
るワークピースの直線寸法を検査するプローブに関す
る。

背景技術 接触検出測定ヘッドあるいはプローブは、機械化された
あるいは機械化されるべきワークピース、器具またはマ
シンテーブルの上で検査を行うために、座標測定機械や
マシンツール、特にマシンニングセンターや旋盤の上に
使用される。一般にこれらのヘッドは１以上の探子を運
ぶ可動アームと１以上のスイッチあるいは位置トランス
デューサを有する検出回路とを備えている。

接触検出プローブの場合、ワークピース上の探子の接触
は可能な予備工程の後、マシンスライドに関係するトラ
ンスデューサの読み取りを制御しかつ参照位置または点
に関する測定値を与える検出回路のスイッチングを生じ
させる。これらのヘッドの本質的要求は繰り返し性、す
なわち探子の所定位置と検出回路あるいは測定ヘッドの
場合のヘッドにおけるトランスデューサの信号値の間の
応答性、強固さ、全体の寸法の小ささおよび低価格さで
ある。

可動アームセットの自由度に応じて、および結果的に探
子が実行できる変位に応じて、１以上の軸線を有するヘ
ッドが存在する。

簡単のために、静止位置でヘッドの長手軸線に沿ってそ
ろえられた可動アームおよび関連する探子とを有する接
触検出ヘッドに関しては、大部分の応用例においては指
向性ヘッド、ときには不適当にも“３軸”ヘッドと呼ば
れるものが用いられており、そこでは探子は任意の横手
方向（長手軸線に垂直）に変位すると同様に長手方向に
変位することができる。通常、横手の変位は平面的な変
位ではなく、横手軸線のまわりに可動アームが回転運動
をする。

既知のプローブの多くは検出回路のスイッチングに関す
る限り探子の横手変位の結果として生じる異方性があ
る。換言すれば、横手の変位の方向が変わると、長手軸
線に対して探子の異なる偏心性（eccentrity）に対応し
て、回路のスイッチングが生じる。

米国特許US-A-4477976は請求の範囲１の先行技術の部分
に対応する接触検出ヘッドを開示しており、このヘッド
は少なくとも一部において横の測定方向が変化するとき
異方性を減少させ構造を有している。これらのヘッド
は、ヘッドのケーシングに固着されかつ環状の突起を有
する環状板と、端子を運ぶアームを有する可動アームセ
ットに固着された平たい環状フランジとを備えている。

ケーシングと可動アームは静止条件でヘッドの長手軸線
に応じて配置された一対の電気的接触を行う。静止条件
は長手軸線に応じて配置されたバネによって規定され、
バネは環状フランジを環状突起に接触させ、互いに接触
して２個の電気的接触を維持する。

環状フランジの不都合な横方向の変位は無視できない不
便さの代償によってのみ制限できる。実際、明らかにこ
れらの横方向の変位はフランジとケーシングの間に存在
する半径方向の小さな隙間のために制限される。しかし
ながら、半径方向の隙間が小さければ小さいほど、フラ
ンジの端部とヘッドのケーシングとの間に生じ得る摩擦
はより大きくなるのは明らかである。横方向の測定の場
合にヘッドの実際の等方性はこのように全くあいまいに
見え、達成できる繰り返し性は高いように思われない。

発明の開示 本発明の目的は横方向で生じる検査の等方性を有する接
触検出あるいは測定するヘッドあるいはプローブを提供
することであり、それらは高度な繰り返し性、頑強性、
構成上の単純性および限られた価格を保証する。

本発明によるプローブは、円対称の第１参照表面を規定
する支持構造あるいはケーシング；円対称の第２参照表
面と探子を運ぶアームを形成する可動構造体あるいはア
ームセット；可動アームセットの位置に依存する測定あ
るいはスイッチングの信号を与えるための検出手段；お
よび前記第１および第２参照表面を弾性的に付勢するた
めのトラスト手段を備えている。支持構造体および可動
アームセットに関係しトラスト手段によって互いに逆に
付勢される他の２個の参照表面は、実質的に球形のヒン
ジを規定する。ヘッドとワークピースの間に横方向に互
いにさらに近づいて探子はワークピースの表面に接触す
る。

それから、可動アームセットは第１および第２参照表面
（例えば６および21）が互いに接触するまで最初球形の
ヒンジ（例えば８、31）の中心のまわりに回転する。可
動アームセットは、さらに動くと、ヘッドの長手軸線に
垂直な平面に位置する円周（例えばヘッドの長手軸線と
同心にあるリング２の上側面６上の円周）にある一点を
通過する横手軸線のまわりに回転変位する。この幾何学
的構成により、ヘッドとワークピースとの間の横接近方
向によらず、プレストロークは一定となる。言い換えれ
ば、第１および第２参照表面（例えば６および21）の間
の接触は、長手軸線に関して探子13の決められた偏心値
で生じ、横手方向に関して等方性と優れた繰り返し性を
保証する。

長手軸線に対し、回転対称を有する円錐台円錐表面と凸
面表面とによって形成することができる球形ヒンジの存
在は、可動アームセットの好ましくない横変位を防止す
る。円対称を有する第１および第２表面は、球形ヒンジ
および適当な形状と結びつき、横方向における等方的振
舞を与える。

等方性に関して、ヘッドの長手軸線に沿って配置された
バネの形のスラスト手段を与えることが好ましく、また
接触検出ヘッドの場合には、実質的に長手方向に配列さ
れた２個の電気的接触あるいは２個の接触システムを有
するスイッチを使用することが好ましい。長手軸線のま
わりに可動アームが回転することを避けるために、支持
ケースと可動アームセットの間に、張力への適当な抵抗
および探子とワークピースとの間の接触から生じる他の
力に対する無視可能な抵抗に抗するための反回転装置が
予知できる。

図面の簡単な説明 本発明は図面を参照して制限されることのない例を与
え、より詳細に説明される。

図１は本発明の好適な実施例のプローブ、すなわち測定
ヘッドあるいは接触検出ヘッドの縦断面図であり； 図２は図１に示したヘッドに適用できる検出スイッチ装
置の断面図で図１と異なる大きさで示したもの； 図３は反回転装置の異なる結合がされた測定ヘッドある
いは接触検出ヘッドの縦断面図、 図４は異なる型の反回転装置を有するヘッドの変形の縦
断面図を示す。

発明を実施するための最良の形態 図１に示すヘッドあるいはプローブは実質的に管状の形
状の部材あるいは要素１、リング２、円形かぶせ板３お
よび他の要素４を含む支持ケーシングを備えている。

リング２は図示しない方法で肩部５に対応して部材１に
よって規定される長手軸線に関し同軸に取り付けられ、
かつ外部および内部の円筒表面と上および下の面に平面
を有する。上面６は参照表面を形成し、この機能は後述
される。部材１の下方部分において、中心開口を有する
実質的に環状形状のフランジ７がある（すなわちディス
クが固定されている）。中心開口に対応して、フランジ
７はヘッドの内部に向って広がった円錐台円錐形状をし
た参照表面または座８を有する。

実質的に円形状のかぶせ板は取りはずし可能な方法で部
材１の上端部に堅く固着され、長手軸線に沿って位置す
る検出装置９を支持する。検出装置９は板３の中心にあ
る穴に堅く収納され、図示されない軸調整固定装置によ
って取り付けられている。ケーブル10は、おそらく無線
伝送手段によって検出装置９やイーターフェイス装置を
制御測定検出ユニットに接続する。示されていないねじ
穴とおそらくは基準点（datums）は他の支持体にヘッド
を結合するための板３に形成されている。この支持体は
例えば電源やインターフェイスや伝送ユニットのような
電気的要素を収納することができ、作動条件下でヘッド
を固定するための円錐脚部や他の型の結合部を備えてい
る。これらの要素は知られているものであり、本発明と
直接的に関係してないので、図１、図３、図４には図示
されていない。要素４はまた図示しない方法で板３に結
合され、ヘッドの長手軸線と同軸である管状部分と環状
フランジを有する。

ヘッドの可動アームセットは、探子13を、例えば球形の
形状を有する探子13を自由端部で支持するアーム12を備
えている。アーム12は上端部15の近傍で好ましい破れ点
を与える薄い部分を有する、探子や可動アームの下方部
に対する突発的な衝撃からプローブを保護するための安
全用逃げ部分14を有し、上端部15は実質的に対称なベル
形状の部材16を除去可能な方法（簡単のため図１に示さ
れていない）で固定されている。部材16は柄17を備えて
おり、柄17はアーム12に結合した下端部と、検出装置９
の可動柄18に接触できる上端部と、中間に位置するベー
ス、すなわち基本的な円筒部分20に結合した横フランジ
19とを有し、前述したように実質的にベル型を形成して
いる。

部分20の自由端は厚さの減少する凸面形状を有し、環状
の参照表面21（概念的には周縁部）で終る。図１に示し
た条件の下でを可動アームセットが中心位置にあり、こ
の対称軸（特にアーム12の軸）が部材１によって規定さ
れる長手軸線にあるときには、環状表面21はリング２の
上面６から所定の位置にある。100分の１ミリメータの
オーダであり得るこの距離は図１において誇張的に示さ
れている。

図１に示されるように、ある距離で可動柄18の底端部は
柄17の上部分の平たい頂上表面から離れてある。

円筒ケーシング22は部分20の内部の小量の隙間をもって
挿入された下方部分23と、概略的に示されるように摩擦
装置25によって部材16の実質的に環状で平たい上方部に
接触する中間フランジ24と、上方部分26を備えている。
ケーシング22は検出装置９、要素４および柄17の上端部
を通すため穴を有するベース27と28を規定する。ケーシ
ング22の下方ベース28は金属ベロー29の下端部が固定さ
れている、例えば溶接されている、環状フランジを規定
する。金属ベロー29の上端部は同様に要素４の環状フラ
ンジに固定され、例えば溶接されている。

ベースまたはフランジ19の下方表面、および柄17の近接
の円筒表面に対応して、アーム12および部材16によって
規定される長手軸線に対して凸面形状の回転対称の特徴
を有する外部参照表面31を規定する参照要素30が固定、
例えば溶接されている。例えば図１に示すように、表面
31は球形領域を有する形状を有する。

ヘリカルバネ32は板３の下方ベースに形成された座に対
抗して接する上方端部と、ケーシング22のフランジ24に
よって規定される環状型部に対抗して接する下方端部と
を有する。バネ32は摩擦装置25を介してフランジ24を部
材16の上方部分に接触させるようにし、結果的に参照表
面31は表面または座８に対向させられる。これらの２つ
の表面８、31が接触しているとき、それらは部材１によ
って規定される長手軸線の上にある中心点を有する球形
ヒンジ（hinge）を実質的に規定する。

環状の保護密閉薄膜33は部材１の下方ベースおよび柄17
の下方端部で形成された環状座に取り付けられた外およ
び内のリムを有する。

図１に示されるヘッドは接触検出ヘッドとして好ましく
用いられる。この場合、検出装置９は図２で概略的に示
されるスイッチ装置９′として作られている。

装置９′は既知の型でありケーシング34を備え、ケーシ
ング34は、実質的に円筒形状で電気的絶縁物質で作ら
れ、小径の隙間を有し電気的導電性ボール36を収納する
第１円筒穴35を規定する。

ヘリカル圧縮バネ37は、絶縁物質で作られかつケーシン
グ34の上方ベースに接する上方端部と、ボール36と接す
る下方端部とを有する。バネ37は、電気導電物質から作
られかつケーシング34の内部に形成された座に固定され
た２個の横手円筒棒39、40にボール36を接するようにす
る。棒39、40は電気回路の一部を形成しかつケーブル10
を経てヘッドから伸びる図示されない関係する電線に接
続されている。ボール36の下方部分は、絶縁物質で作ら
れかつ穴41によって軸方向に案内される可動柄18と一致
する。

図１に示すヘッドの作用は、それが検出装置９′を備え
たとき、次のようになる。

静止条件においてすでに述べたように、表面８および31
は接触しており、可動アームセットは実質的に図１に示
す位置にある。しかしながら、他の型の有する欠点に陥
ることなく、可動アームセット、特にアーム12は部材１
によって規定される長手軸線に関してわずかに傾くこと
が可能である。

図１に示すヘッドとワークピース42の間に生じる相互接
近することに続いて、探子13はワークピースに接触す
る。ヘッドがマシンセンターあるいは座標測定機に挿入
された場合、ヘッドは軸に固定され、ワークピースはマ
ンシテーブル上に置かれる。ヘッドとワークピース42の
横方向の相互変位が続くと、最初、可動アームセット
は、表面21の一点がリング２の上面６に接触するまで、
球形ヒンジ８の中心のまわりに回転する。この条件下で
図１の右に示す表面21とリング２に対応して接触が生じ
る。ヘッドとワークピース42の間の他の相互の横変位
は、図の面に垂直で表面21とリング２の間の接触点を通
過する軸のまわりにアームセットの回転を生じさせる。
このことはまた適当な幾何的構成によって達成される。
すなわち、周縁21に面するベース６の周縁によっておよ
び球形ヒンジ８の中心によって規定される円錐部は、静
止する円錐あるいは座８の表面に関して直角に母線を有
する構成によって達成される。

このような力学的条件のために、可動アームセットの瞬
間回転中心は表面21とリング２の間の前述の接触点と実
質的に一致したままである。この結果、図１に柄17を挟
んで左右両側に示されているアーク状の表面31のうちの
左側のアーク状の表面31は近接する座８の母線の接線方
向に動き、右側のアーク状の表面31は対応する座８の部
分の母線に垂直な方向に沿って実質的に変位する。

この回転は、静止条件下で少くとも近似的にはリング２
の上表面６と同一平面に在る柄17の上端部を、柄18の下
端部に接触するまで、垂直方向に変位させる。このよう
にして、この回転運動は、棒39、40からのボール36の分
離することや、（静止条件下で閉じていた）対応スイッ
チを開くことや、探子13とワークピース42との間の接触
を検出することを前述のプレストロークの完了するとき
に生じさせる。

記載した幾何構成のために、ヘッドとワークピース42の
間の横方向の接近にもかかわらず、図１に示す条件から
スタートしてプレストロークは一定である。言い換えれ
ば、表面21とリング２の間の接触は（長手軸線と同心の
リング２の上面６上の外周の点において）長手軸線に関
して探子13の決められた偏心値で生じ、また探子13（ま
たは長手軸線に関してアーム12または可動アームセット
の対称軸線の傾き）の他の決められた偏心値でスイッチ
36、39、40が開くことが生じる。

探子13が最初ワークピース42の上に配置され、そして長
手軸線方向に接近運動が起こると、可動アームセットの
変位は、実質的この軸線に沿う移送になる。この場合、
表面８および31の分離することが最初に生じ、この結果
スイッチ36、39、40が開く。

ヘッドの繰り返し性に関して、図１に示す条件下でバネ
32は長手軸線に同軸であり、かつボールの中心と図２の
棒39、40の間の中間点が長手軸線に沿って揃うというこ
とが重要である。

同じ目的のために、他の重要な特徴はベロー29を設けた
ことである。図１に示す条件に従ってベロー29はヘッド
の長手軸線と同軸であり、またベローの中間部を通過す
る平面はリング２の上面６に接している。このようにし
て、ベロー29は、横手方向で測定を完了すると、張力お
よび圧縮力に実質に従うのみで、特に切断応力には従わ
ない。金属ベロー29は、可動アーム12が置換される場合
のヘッドの組立てで、ワークピース上をすべる結果とし
て生じるトルクに抵抗する。アーム12にかけられたトル
クが異常な環境のために異常値に達するならば、摩擦装
置25は可動アームセットとベロー29の間で相互回転を可
能にするように介在し、このようにしてベローが損傷す
ることを防止する。

図３に示す変形例（図１に示したものと同一部品または
同等部品には同じ符号とアペックスを付す）に従って、
金属ベロー29′の下端部は例えば溶接され、部材16′の
円筒部分20′の内部に小さい半径方向の隙間を伴って収
容された実質的円筒要素43に接合されている。部材16′
および部分20′は次のことを除けば図１に示したものと
類似している。部分20′は要素43を固定するための弾性
固定装置を部分的に収納する開口44を有する。この装置
は、示されていない方法で部分20′に固定された支持板
45と、図面の板に平行な弾性薄板46と、要素43の中に形
成された円錐形状の座48と協同する球形参照要素47とを
備えている。

この場合圧力バネ32′は部材16′の上端部に直接接触す
る下端部を有する。要素47座48の間の結合、およびベロ
ー29′の張力に対する抵抗は、可動アームセットの好ま
しくない回転を防ぐ。しかしながら、加えた張力が過剰
な値に達する場合には、薄板46が球形要素47を座48から
はずすようにし、この結果ベロー29′を可動アームから
結合を解くようにする。明らかに開口44は、要素43の結
合が解かれたときには、ハウジング要素47の円周方向に
十分大きい。

図４は異なる反回転装置を有する他の測定ヘッドまたは
接触検出ヘッドを部分的に示す。図１に示したものと同
一部品または同等部品には同一の番号と２個のアヘック
スを符してある。

静止条件においてヘッドの長手軸線に垂直方向に配置さ
れた環状弾性薄板53の周縁端部が、スタッド50およびね
じ51によって部材16″のベース19″に固定されている。
薄板53の反対端部は、スタッド54およびねじ55によっ
て、ヘッドの長手軸線に同軸に部分20″の内部に半径方
向の隙間をもって挿入された円筒ブッシュ57を備える中
間要素に固定されている（図は静止条件の場合）。

前述のもの53と同等な他の弾性環状薄板59がブッシュ57
の反対側に配置され、スタッド60およびねじ61によって
ブッシュに固定された端部を有する。薄板59の反対端部
はねじ64によって、閉じ板３″に固定されたスタッド63
に固定されている。

静止条件下で、薄板53、59は、反対側に位置し、かつ環
状型部６″によって規定される平面から等い距離にあ
る。

環状薄板53および59とフロートブッシュ（floating bus
hing）57とを備える装置は図１および図３に示すベロー
29および29′と同様の機能を達成する。任意の場合、こ
の装置が張力に対しより大きい抵抗を有するので、図１
における摩擦装置25の機能と同等の機能および図３にお
ける弾性固定手段の機能と同等の機能を達成できる手段
は予見されていない。図４に示した変形例に従っても、
ヘリカルバネ32″は部材16″の上端部に形成された座に
直接的に接触する下端部を有する。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円対称の第１参照表面（６）を規定する支
   持ケース（１−４）；円対称の第２参照表面（21）と、
   検査されるべきワークピース（42）を接触するための探
   子（13）を運ぶアーム（12）とを含む可動構造体（12-1
   6）であって、可動構造体は中心位置を想定しやすいも
   のであり、この中心位置において可動構造体の少くとも
   一部分（12-16）が長手軸線に実質的に沿って配置され
   たもの；可動構造体の位置に依存する信号を供給する検
   出手段（９）；および、前記第１（６）および第２（2
   1）参照表面を互いに付勢するため支持ケースと可動構
   造体との間に位置するトラスト手段（32）；を備え、可
   動構造対は前記長手軸線に沿う限定並進変位および長手
   軸線に垂直な任意の方向の軸線のまわりの限定回転変位
   を達成できる、マシンツールまたは測定マシーンにある
   ワークピースの直線寸法を検査するプローブにおいて、 前記支持ケースおよび可動構造対は、実質的球形のヒン
   ジを規定するための、トラスト手段（32）の作用の下で
   互に協同する２個の他の参照表面（8,31）を備え、 前記第１（６）および第２（21）参照表面は、長手軸線
   に対する前記部分（12-16）の第１の離角（a first ang
   ular elongation）に対応して互に接触することがで
   き、 検出手段（９）によって供給される前記信号は、前記部
   分（12-16）の第２の離角（a second angular elongati
   on）に対応して、可動構造体の前記中心位置で供給され
   る値と区別される決定される値をとるものであることを
   特徴とする直線寸法検査プローブ。
2. 【請求項２】前記検出手段（９）は長手軸線に沿った前
   記部分の位置に依存する信号を供給することを特徴とす
   る請求項１に記載のプローブ。
3. 【請求項３】前記他の参照表面（8,31）は円錘ボール型
   の結合を規定することを特徴とする請求項２に記載のプ
   ローブ。
4. 【請求項４】前記第１および第２参照表面は環状平面
   と、環状表面との間に生じる接触の可能な位置が実質的
   に円周であるように規定される断面を有する環状表面
   （21）とを備えることを特徴とする請求項２に記載のプ
   ローブ。
5. 【請求項５】前記２個の他の参照表面（8,31）は可動構
   造体（12-16）の第１回転中心を規定し、前記回転中心
   は前記長手軸線上にあり、前記第１（６）および第２
   （21）参照表面は前記可動構造体の他の回転中心を規定
   し、前記他の回転中心は前記長手軸線に垂直な平面でか
   つこの軸線上にある円周を実質的に規定することを特徴
   とする請求項２に記載のプローブ。
6. 【請求項６】支持ケース（４）および可動構造体（16）
   に関連する反回転装置（26-29）をさらに備え、反回転
   装置は前記長手軸線のまわりに可動構造体が回転するこ
   とを防止し、かつ可動構造体が他の任意の変位を可能に
   することを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
7. 【請求項７】前記反回転装置は張力に関して実質的に交
   直であるベロー（29）を備えることを特徴とする請求項
   ６に記載のプローブ。
8. 【請求項８】静止条件の下で前記ベロー（29）は前記長
   手軸線に関して実質的に同軸であり、かつ前記第１
   （６）および第２参照表面の１個に関して対称な位置に
   縦に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の
   プローブ。
9. 【請求項９】反回転装置（26-29）は前記可動構造体（1
   2-16）および支持ケース（１−４）の一方（３）に硬く
   固着された第１部分と、反回転装置に加えられた張力の
   所定量に達するとき可動構造体（12-16）の前記回転を
   できるようにするため安全装置（25）によって他方（1
   6）に関連する第２部分とを有することを特徴とする請
   求項６に記載のプローブ。
10. 【請求項１０】前記安全装置は摩擦結合体（25）を備え
    ることを特徴とする請求項９に記載のプローブ。
11. 【請求項１１】前記安全装置は弾性固定部（45-48）を
    備えることを特徴とする請求項９に記載のプローブ。
12. 【請求項１２】前記反回転装置は支持ケース（３″）お
    よび可動構造体（19″）に各々固定された２個の弾性薄
    板に固定された中間要素（57）とを備えていることを特
    徴とする請求項６に記載のプローブ。
13. 【請求項１３】前記トラスト手段は前記長手軸線と実質
    的に同軸であるバネ（32）を備えることを特徴とする請
    求項２に記載のプローブ。
14. 【請求項１４】前記検出手段（９′）はスイッチ信号を
    供給することを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
15. 【請求項１５】前記検出手段は第１および第２接触セッ
    ト（36,39,40）を有する電気スイッチを備え、この２こ
    のセットは長手軸線に沿って実質的には位置されている
    ことを特徴とする請求項14に記載のプローブ。
16. 【請求項１６】可動構造体の前記部分はアーム（12）と
    探子（13）を備え、かつ検出手段（９′）は長手軸線に
    関して探子の決定された偏心に対応してスイッチ信号を
    供給することを特徴とするプローブ。