JPH0792381B2

JPH0792381B2 - 三次元測定機用プローブ

Info

Publication number: JPH0792381B2
Application number: JP31989791A
Authority: JP
Inventors: 喜八郎西川; 国俊西村; 潔高増
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1991-11-07
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPH05126556A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元測定機用プロー
ブに係り、特にプローブと被測定物とを互いに接触させ
た状態で被測定物の表面に倣って相対移動させ、三次元
曲面等を有する被測定物表面の座標や形状を求める三次
元測定機の倣いプローブ等に利用できる。

【０００２】

【背景技術】被測定物表面の座標や形状、特に、三次元
曲面を有する被測定物表面の座標や形状を測定する三次
元測定機として、例えば図７に示すように、プローブ本
体７１に先端が球状のスタイラス７２を三次元方向へ変
位可能に保持し、つまり、プローブ本体７１に対してＺ
軸方向へ変位可能な一対の平行ばね７３、Ｙ軸方向へ変
位可能な一対の平行ばね７４およびＸ軸方向へ変位可能
な一対の平行ばね７５を介してスタイラス７２を保持
し、この各平行ばね７３，７４，７５の変位量つまりス
タイラス７２のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への変位量をそれぞれ
差動トランス等の変位検出器７６（ただし、図７では
Ｙ，Ｚ軸方向の検出器を省略してある。）で検出するよ
うに構成したプローブ７０を備え、このプローブ７０を
予め設定されたプログラムに従って被測定物の表面に倣
って移動させながら被測定物の座標や形状を測定する三
次元測定機が知られている。

【０００３】この三次元測定機で三次元曲面を有する被
測定物表面の座標や形状を測定する場合、プローブ本体
７１に対してスタイラス７２が変位するように、プロー
ブ本体７１を所定の測定力で被測定物側に押し込んだ状
態でプローブ７０を被測定物表面に倣って移動させる。

【０００４】もし、スタイラス７２と被測定物との間に
摩擦が生じなければ、スタイラス７２の変位方向つまり
スタイラス７２に働く変位ベクトルの方向は、被測定物
表面の法線方向にほかならない。従って、スタイラス７
２と接触する被測定物表面の接点位置Ｃ（Ｃx,Ｃy,Ｃz
）は、スタイラス７２の球の中心位置を原点とすると
数１に示すようになる。

【０００５】

【数１】

【０００６】ただし、ｒはスタイラス７２の球の半径、
Ｐx,Ｐy,Ｐz はプローブ本体７１に対するスタイラス７
２の各軸方向変位量、ｅは（Ｐx²＋Ｐy²＋Ｐz²）^1/2で
ある。

【０００７】従って、プローブ７０（プローブ本体７
１）の各軸方向変位量（座標）をＸ₁,Ｙ₁,Ｚ₁とする
と、三次元測定機全体の座標からみた場合の接点位置Ｃ
（Ｃx,Ｃy,Ｃz ）は数２に示すようになる。

【０００８】

【数２】

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような考
え方は、被測定物表面とスタイラス７２との間に摩擦が
生じない場合にのみ成り立つものであって、現実には摩
擦の影響によってスタイラス７２に働く変位ベクトルの
方向が被測定物表面の法線方向からずれてしまうので、
測定誤差を生じる。

【００１０】例えば、図８に示すように、三次元測定機
のＸ−Ｚ軸平面においてＸ軸に対して角度θの斜面を有
する被測定物に、Ｚ軸に沿って上方からプローブ７０を
下降させて被測定物に接触させた場合、最初スタイラス
７２の球は中心座標Ｏの位置にあるが、プローブ７０を
測定力ＰでＺ軸方向から被測定物に押しつけけて測定す
ると、もし球と被測定物との間に摩擦がなければ、プロ
ーブ７０内のばね７３，７５が撓み、球の中心はＯ₁の
位置となる（なお、図８ではプローブ７０およびスタイ
ラス７２はＹ軸方向に変位しないものとし、平行ばね７
４を省略してある）。そして、この時のスタイラス７２
の球と被測定物との接触位置Ｃは、プローブ本体７１の
位置つまり三次元測定機の各スケールの読み取り位置
（Ｘ₁,Ｙ₁,Ｚ₁)と、ばね７３，７５の撓み量（Ｐx,Ｐz
）を前記数１に代入することで求められる。

【００１１】しかしながら、実際にはスタイラス７２の
球と被測定物との間に摩擦が生じるため、球は中心座標
がＯ₂の位置までしか移動しない。この際、摩擦力がな
ければスタイラス７２に働く力のベクトルＰ₁の方向
は、被測定物表面の法線方向つまり球の中心Ｏ₁を通る
方向となるが、摩擦力が生じるとその影響により、スタ
イラス７２に働く力のベクトルＰ₂の方向は、摩擦力が
働く方向にずれて球の中心Ｏ₂から外れてしまい、数１
を用いて接触位置Ｃ₁を求めると測定誤差が生じる。

【００１２】そこで、摩擦係数μを０にすることができ
る状態、つまり摩擦が測定に影響しないような状態で測
定する方法として、例えばスタイラスに振動を加えて摩
擦係数を等価的に減少させる測定方法が知られている
が、スタイラスの振動制御が難しく、実用的ではなかっ
た。また、被測定物に対して常に直交方向からプローブ
を当接させることで摩擦の影響を無くす方法も考えられ
るが、被測定物の測定面が三次元曲面の場合には常時プ
ローブを被測定物の直交方向から当接させることは困難
であり、実用的ではなかった。このように、特に被測定
物の測定面が三次元曲面の場合には、従来のプローブを
用いた三次元測定機では高精度の測定を行うことができ
なかった。

【００１３】本発明の目的は、プローブと被測定物との
間に発生する摩擦を無くすことができ、三次元曲面を有
する被測定物であっても高精度に測定することができる
三次元測定機用プローブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の三次元測定機用
プローブは、プローブ本体と、このプローブ本体に対し
三次元方向に変位可能に保持されたスタイラスと、この
スタイラスの先端部に配置された磁性体からなる球と、
この球をスタイラスに近づく方向に磁気的に吸引する吸
引手段と、前記球に向かって空気を噴出して球をスタイ
ラスから離れる方向に付勢する付勢手段と、前記吸引手
段の吸引力および付勢手段の付勢力の少なくとも一方を
調整して球をスタイラスから所定間隔離れた位置に保持
する間隔調整手段と、を備えることを特徴とするもので
ある。

【００１５】

【作用】本発明においては、スタイラスの先端に配置さ
れた球は、吸引手段の吸引力と付勢手段の付勢力の釣り
合いによってスタイラスから所定間隔離れた位置に保持
される。このため、スタイラスを被測定物の測定面に押
下してもスタイラスと球とが離れているため、球は自由
に回動でき、これにより被測定物との間に摩擦力が生じ
ず、被測定物を高精度に測定することが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１および図２
に基づいて説明する。図１および図２に示すように、本
実施例の三次元測定機用プローブ１は、図示しないプロ
ーブ本体に平行ばねを介して三次元方向に変位可能に支
持されたスタイラス２と、このスタイラス２の先端に配
置された磁性体からなる球３とを備えている。スタイラ
ス２の先端部には、中心軸にエア供給孔４が形成された
エア供給部５が設けられている。エア供給孔４の一端側
は、管６を介してポンプ等のエア供給源７に接続されて
いる。なお、管６の途中には、空気圧検知器８および空
気圧調整弁９が配置されている。

【００１７】このエア供給部５の周囲には、エア供給孔
４を中心とする円周方向に巻回されたコイル１０を保持
するコイル保持部材１１が取付けられている。コイル１
０は、コイル１０に所定電圧を印加して磁気回路を形成
する駆動回路１２に接続されている。また、コイル１０
の先端側には、球３の位置変化を検出するためのコイル
１３が巻回されている。コイル１３には、スタイラス２
に対する球３の位置によって変化するコイル１３のイン
ダクタンスを検出し、コイル１０に印加される電圧の大
きさを変えるように駆動回路１２を制御する制御回路１
４が接続されている。なお、駆動回路１２は、空気圧調
整弁９の制御も行うように構成されている。

【００１８】エア供給部５およびコイル保持部材１１の
先端側には、ノズル部材１５が取付けられている。ノズ
ル部材１５は、エア供給孔４に連通しかつエア供給孔４
側が面取りされたノズル１６を備え、ノズル１６の先端
側には、球３の周面に合わせて半球状の凹部１７が形成
されている。この凹部１７は、球３との隙間がノズル１
６が設けられた中心側が外周側に比べて大きくなるよう
に形成されており、ノズル１６から放出された圧縮空気
が広がって外周全てに向かって供給されるように構成さ
れている。

【００１９】このような本実施例では、駆動回路１２に
よりコイル１０に電圧を印加して磁気回路を形成し、球
３をスタイラス２に近づく方向に吸引するとともに、エ
ア供給源７から、空気圧調整弁９、管６、エア供給孔
４、ノズル１６を介して球３に向かって圧縮空気を噴出
して球３をスタイラス２から離れる方向に付勢し、球３
を凹部１７から所定間隔離れた位置に保持する。この
際、球３が被測定物に接触してもスタイラス２に対する
球３の位置関係が変わることがないように、薄く高圧の
エアフィルムによって非接触に保持する必要がある。こ
のため、空気圧検知器８でエア供給源７から供給される
空気圧の変化を検出し、空気圧変化に応じて駆動回路１
２により空気圧調整弁９を調整して供給空気圧を一定に
保つ。この時、球３の凹部１７に対する位置が変化する
と、コイル１３のインダクタンスも変化し、この変化は
制御回路１４にフィードバックされる。制御回路１４
は、駆動回路１２を制御してコイル１０に印加する電圧
を変化させ、これにより磁気回路の吸引力が調整される
ため、球３は常時凹部１７から一定間隔離れた位置に保
持される。従って、供給される圧縮空気によって球３お
よびスタイラス２間に設けられるエアフィルムの厚さが
一定に保たれ、エアフィルムの強度も維持される。ま
た、駆動回路１２は、空気圧が切れたり、一定以下にな
った場合にはランプ等で警報するとともに球３が落下し
ないように磁力を付与しているように構成されている。

【００２０】なお、球３の保持は、前述のように空気圧
を一定とし、磁気回路の吸引力を調整する方法に限ら
ず、磁気回路の吸引力を一定として球３の位置変化に応
じて空気圧を調整してもよいし、磁気回路および空気圧
の両方を適宜調整してもよい。さらに、エアフィルムの
厚さを測定して一定に保つためにフィルム圧検知装置を
設け、その信号を制御回路１４で処理して駆動回路１２
にフィードバックし、空気圧または磁力を調整してもよ
い。

【００２１】従って、コイル１０、駆動回路１２により
本発明の吸引手段が構成され、エア供給源７、空気圧調
整弁９、空気圧検知器８、エア供給孔４、ノズル１６等
により本発明の付勢手段が構成され、コイル１３、制御
回路１４により本発明の間隔調整手段が構成される。

【００２２】このようなプローブ１を所定の測定力を加
えて被測定物に当接させ、表面に倣って移動させると、
球３が被測定物の表面形状に応じて変位し、この球３の
変位に伴い球３および凹部１７間の空気層を介してスタ
イラス２も変位する。この際、球３はスタイラス２の凹
部１７から離れて保持されているのでプローブ１を移動
させた場合に自由に回転し、球３と被測定物との間では
摩擦力が生じない。このため、プローブ本体に対するス
タイラス２の変位を従来と同様にプローブ本体内に各軸
毎に設けられた変位検出器で検出し、このプローブ本体
に対するスタイラス２の変位量と、三次元測定機の座標
系でのプローブ１の変位量とを前記数１に代入すること
で、球３と被測定物との接触位置が高精度に求められ
る。

【００２３】このような本実施例によれば、プローブ１
の被測定物に当接される球３をスタイラス２に近づく方
向に磁気的に吸引する吸引手段と、球３に向かって空気
を噴出して球３をスタイラス２から離れる方向に付勢す
る付勢手段とを設けたので、球３をスタイラス２から所
定間隔離れた状態で保持できる。このため、球３を被測
定物に当接させた状態でプローブ１を移動させても、球
３は自由に回転して球３および被測定物間に摩擦力が発
生しないので、被測定物の形状等を高精度に測定するこ
とができる。

【００２４】また、球３の位置変化を検出して駆動回路
１２を制御するコイル１３および制御回路１４を設けた
ので、球３を常にスタイラス２の凹部１７から一定間隔
離して保持することができる。このため、球３がスタイ
ラス２の凹部１７に密着したり、球３がスタイラス２か
ら落下するなどの事故を防止でき、常に高精度の測定を
行うことができる。さらに、球３は上面側にスタイラス
２が設けられているだけで、その他の部分は露出されて
いるので、被測定物が球３の下面に当接する場合だけで
なく、球３の側面に当接する場合でも測定することがで
きる。このため、三次元曲面等を有する複雑な形状の被
測定物でも高精度に測定することができる。

【００２５】図３および図４には、本発明の第２実施例
が示されている。本実施例の三次元測定機用プローブ２
０は、前記第１実施例とスタイラス２の先端部分の構成
のみが異なるものであり、その他の部分、例えばエア供
給源７、駆動回路１２、制御回路１４等の構成は前記第
１実施例と同一である。

【００２６】図３に示すように、プローブ２０のスタイ
ラス２の先端部分の中心には円筒２１が設けられ、この
円筒２１の周囲にエア供給孔４が設けられている。円筒
２１には、永久磁石２２が組み込まれ、円筒２１の外周
にはコイル１０およびコイル１３が巻回されている。ま
た、スタイラス２の先端には、球３の外周面に合わせて
半球状の凹部２３が形成されている。

【００２７】このような本実施例においても、前記第１
実施例と同様の作用効果を得ることができる。すなわ
ち、コイル１０による磁気回路および永久磁石２２の磁
力により球３がスタイラス２に近づく方向に吸引され、
エア供給孔４から噴出される空気により球３がスタイラ
ス２から離れる方向に付勢されるため、球３をスタイラ
ス２の凹部２３から一定間隔離して保持できる。このた
め、球３および被測定物間に摩擦力が生じず、被測定物
を高精度に測定できる。

【００２８】また、永久磁石２２を設けたので、前記第
１実施例のように、コイル１０による磁気回路のみで球
３の自重分と付勢手段の付勢力とに応じた吸引力を得る
必要がなく、例えば永久磁石２２に球３の自重分と球３
をスタイラス２の凹部２３から一定間隔離すための空気
の付勢力との和に応じた吸引力を持たせれば、コイル１
０は球３が正しい位置から変動した時の補正分の吸引力
のみを発生すればよく、このためコイル１０に流す実効
電力を低減することができるという効果もある。さら
に、円筒２１に巻回されたコイル１０部分を通して空気
が供給されるため、コイル１０が空冷されてコイル１０
の発熱を抑えることができる。

【００２９】図５には、本発明の第３実施例が示されて
いる。本実施例の三次元測定機用プローブ３０は、前記
第１および第２実施例が、球３の位置変化をコイル１３
のインダクタンス変化により検出していたのに対し、ス
タイラス２の中心軸部分に複数の光ファイバからなる光
ファイバ束３１を配置し、この光ファイバ束３１により
球３の位置変化を検出するものである。

【００３０】光ファイバ束３１は、中心に配置された光
ファイバ３２と、その周囲に配置された光ファイバ郡３
３とで構成される。この光ファイバ３２から光を入射
し、球３で反射されて光ファイバ郡３３により戻ってく
る光の光量変化を検出することで球３の位置変化が検出
され、光量変化を所定の制御回路により電気信号に変換
し、コイル１０の駆動回路にフィードバックすることで
球３の位置を一定に保つことができる。このような本実
施例においても前記各実施例と同様の作用効果を奏する
ことができる。また、光ファイバ束３１を利用している
ので、電気的あるいは磁気的な影響がなく、球３の位置
変化を高精度に検出することができるという効果もあ
る。

【００３１】図６には、本発明の第４実施例が示されて
いる。本実施例の三次元測定機用プローブ４０は、前記
各実施例が球３の位置を検出してコイル１０の駆動回路
１２をフィードバック制御することで球３の位置を一定
に保持していたのに対し、スタイラス２の先端の構成を
工夫することでフィードバック制御を行わずに球３の位
置を一定に保持するものである。

【００３２】すなわち、スタイラス２に永久磁石４１を
組み込むとともに、エア供給孔４の先端開口部分にポー
ラス状の金属あるいはセラミックからなる空気圧調整部
材４２を設けたものである。この調整部材４２によりエ
ア供給孔４を介して供給される空気がまんべんなくかつ
一定圧力で球３に向かって噴出されるため、その噴出圧
および球３の自重分を支持するように永久磁石４１の磁
力を設定すれば、球３をスタイラス２から一定間隔離れ
た位置に保持することができる。このような本実施例に
おいても、前記各実施例と同様の作用効果を奏すること
ができる。また、フィードバック回路やコイル１０等が
不要であるので、プローブ４０の構成を簡単にでき、安
価に提供することができるという効果もある。

【００３３】なお、本発明は前述の実施例に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変
形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、本
発明の間隔調整手段は、前記第１〜３実施例のように磁
気回路を制御して吸引力を調整して球３の位置調整を行
うものに限らず、エア供給源７や空気圧調整弁９を制御
して付勢力を調整して球３の位置調整を行うものや、吸
引力および付勢力の両方を制御して調整するものでもよ
い。さらに、吸引力や付勢力を測定中に調整するものに
限らず、第４実施例のように吸引力や付勢力が常に一定
となるように設定して測定前に調整するものでもよい。
要するに、本発明の間隔調整手段は、吸引力または付勢
力の少なくとも一方を、測定前あるいは測定中に調整し
て球３をスタイラス２から所定間隔離れた位置に保持で
きるものであればよい。

【００３４】また、本発明のスタイラス２の形状は、前
記第１実施例のように段差を有する凹部１７を備えたも
のでもよいし、前記第２〜４実施例のように半球状の凹
部２３を備えたものでもよく、実施にあたって適宜設定
すればよい。さらに、磁力を付与する手段は、前記実施
例に限らず種々の変形が考えられるが、球３の自重に耐
え、球３が被測定物に接触しても十分耐えられるだけの
吸引力を有し、しかも圧縮空気による薄く高圧のエアフ
ィルムによって非接触に保持されるような磁気の付与方
法であれば適宜選択され得る。

【００３５】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、プローブ
と被測定物との間に発生する摩擦を無くすことができ、
三次元曲面を有する被測定物であっても高精度に測定す
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の三次元測定機用プローブ
を示す縦断面図である。

【図２】図１のII−II線に沿った平断面図である。

【図３】本発明の第２実施例の三次元測定機用プローブ
を示す縦断面図である。

【図４】図３のIV−IV線に沿った平断面図である。

【図５】本発明の第３実施例の三次元測定機用プローブ
を示す縦断面図である。

【図６】本発明の第４実施例の三次元測定機用プローブ
を示す縦断面図である。

【図７】本発明の従来例の三次元測定機用プローブを示
す縦断面図である。

【図８】本発明の従来例の三次元測定機用プローブを示
す概略模式図である。

【符号の説明】

１，２０，３０，４０三次元測定機用プローブ２スタイラス３球４エア供給孔７エア供給源８空気圧検知器９空気圧調整弁１０，１３コイル１２駆動回路１４制御回路２２，４１永久磁石３１光ファイバ束４２空気圧調整部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブ本体と、このプローブ本体に対
し三次元方向に変位可能に保持されたスタイラスと、こ
のスタイラスの先端部に配置された磁性体からなる球
と、この球をスタイラスに近づく方向に磁気的に吸引す
る吸引手段と、前記球に向かって空気を噴出して球をス
タイラスから離れる方向に付勢する付勢手段と、前記吸
引手段の吸引力および付勢手段の付勢力の少なくとも一
方を調整して球をスタイラスから所定間隔離れた位置に
保持する間隔調整手段と、を備えることを特徴とする三
次元測定機用プローブ。