JPH09503857A - 固体振動子の形態の接触子を備えた座標測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固体振動子、有利には時計クォーツ（１／２）がその振動方向（Ｓ）で都合３つの測定方向（ｘ，ｙ，ｚ）に対して角度を成すように配置されている。固体振動子の発振回路が、２つの異なる接触信号を発する電子装置に接続されている。これら両方の手段により、測定方向への接触不確実性の依存性を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 固体振動子の形態の接触子を備えた座標測定器 近年１ｍＮより小さな極めてわずかな測定力しか被測定ワークに作用せずかつ いわゆる固体振動子で作動し、その振動の振幅が被測定対象物への接近時に変化 する形式の、座標測定器のための接触子が公知となっている。この種の接触子は 例えばドイツ連邦共和国実用新案登録第９２１３０５９号明細書に記載されてい る。 この公知接触子は接触エレメントとして細いガラス棒を備えており、このガラ ス棒は、その縦軸線がチューニングフォーククォーツの振動方向に対して平行に 向けられるようにチューニングフォーククォーツの叉に接着されている。 この種の接触子が座標測定器内で使用され、第１図に略示したようにガラス棒 若しくは接触エレメントの縦軸線が座標測定器の測定方向に対して平行に向けら れると、座標方向ｚ、換言すれば棒（３ａ）の縦軸線方向でしかもチューニング フォーククォーツの振動方向Ｓに対して平行な方向で得られる接触不確実性は、 棒（３ａ）の縦軸線に対して直角な座標方向ｘ及びｙで測定される接触不確実性 に比して明らかに小さいことが分かっている。両方の接触不確実性は５倍違って おり、例えば測定軸Ｚ方向では接触不確実性がわずかに１．０μｍであっても接 触方向ｘ及びｙでは接触不確実性はほぼ５μｍとなる。 接触不確実性のこのような非対称性は不都合である。それというのは、例えば 孔などのようなジオメトリエレメントの測定時では種々の側から接触が行われな ければならず、かつ接触不確実性がすべての接触点において座標測定器のために 特定された同じ値に対応していなければならないからである。 冒頭に述べた形式の接触子による作業時の１つの問題点は、接触エレメントと 被測定ワークとの接触を明確にかつ信頼性よく座標測定器の制御装置へ応答する 信号を獲得することにある。この時点が明確にかつ繰り返し精度よく決定されな いと、同様に接触子の接触不確実性が増大する。ドイツ連邦共和国実用新案登録 第９２１３０５９号明細書に記載されている制御装置では、確かに有用な成果は 得られているが、しかし、外乱に対しても感度のよい反応が生じてしまう。例え ば測定値のピックアップが空気中の渦により影響される。このような外乱がワー ク表面との接触直前に生じると、この外乱は明確に外乱として検知されず、誤っ た座標値を供給し、換言すれば接触不確実性を増大させる結果となる。 本発明の課題は、冒頭に記載した形式の接触子を備えた座標測定器において、 ３つの測定方向ｘ，ｙ，ｚ で可能な限り小さなしかも同じ接触不確実性が信頼性よく生じるようにこの座標 測定器を改良することにある。 この課題は、固定振動子の形態の接触子を備えた座標測定器であって、固定振 動子に接触エレメントとして細い棒が取り付けられている形式のものにおいて、 請求項１，７又は８項に記載の手段により解決された。 第２図に略示した装置では、固体振動子（１／２）が振動方向Ｓに関連して、 座標測定器の都合３つの測定方向ｘ，ｙ，ｚに対して有利には４５°の角度を成 すように配置されており、これにより、都合３つの接触方向で２，５μｍの同程 度の低い接触不確実性が得られる。しかし、略示したこの装置の不都合な点は、 棒（３ａ）が、座標測定器内で可能な３つの接触方向ｘ，ｙ，ｚに対して斜めに 向けられていることにある。測定されるべきジオメトリエレメントを備えた被測 定対象物Ｏが一般的には測定軸ｘ，ｙ，ｚに対して向けられて座標測定器のテー ブル上に緊定されるため、接触エレメント、換言すれば固体振動子に取付けられ た棒が同様に座標測定器の３つの測定方向の１つに対して平行に向けられるなら ば、測定が良好に行われる。それゆえ、例えば棒を適当に屈曲させるか又は屈曲 させずに固体振動子に角度を成して固定するようにして、棒の少なくとも接触す る側の端部を座標測定器の 測定方向の１つに対して平行に、ひいては固体振動子の振動方向Ｓに対して直角 に向けると効果的である。 冒頭に記載した接触子の信頼性及び接触不確実性は、接触エレメントと被測定 ワークとの接触を特定する少なくとも２つの異なる信号を発生する電子装置によ っても改善される。接触時に生じる両方の信号の合致により、誤接触につながる 外乱を効果的に検知して抑制することができる。この点については本出願人の同 日付けの出願「接触ヘッドと接触信号を処理する電子装置とを備えた座標測定器 」を参照されたい。この出願には、接触子の種類は異なるが、例えば接触信号の 処理のための信頼性のよいかつ機能確実な電子装置の構成のための詳細な実施例 が開示されている。 本発明の他の利点が第１図から第５図までに基づく次の記載及び実施例から生 じる。ここに、 第１図は、固体振動子の振動方向Ｓの方向が測定方向ｚの方向に対して平行な 場合の略示原理図、 第２図は固体振動子が都合３つの測定軸に対して角度を成して向けられている 本発明の１実施例に基づく略示原理図、 第３図は、空間的に斜めに配置された固体振動子と測定軸ｚに対して平行に屈 曲された接触エレメントとを備えた本発明に基づく有利な実施例を示す図、 第４図は、空間的に斜めに配置された固体振動子と測定軸ｚに対して平行に向 けられた接触エレメントと を備えた本発明の別の実施例を示す図、 第５図は、固体振動子に接続された評価−電子装置の主要のエレメントを示す 原理図、 第６図は、固体振動子に接続された第５図の電子装置の制御ブロック図、 第７図は、測定過程中の固体振動子の振動の振幅の時間的な推移を示す略示図 である。 第１図にはいわゆる振動クォーツ形接触子が示されており、この接触子は類似 形式でドイツ連邦共和国実用新案登録第９２１３０５９号明細書に記載されてい る。固体振動子としては、クォーツ時計でも使用されるチューニングフォークク ォーツが役立てられている。フォーク状のクォーツ本体は、電気的な接続部を備 えたソケット１内に座着しており、フォークのそれぞれの叉の前端には細いガラ ス棒３ａ若しくは３ｂが接合されている。一方のガラス棒３ａが、その前端に溶 着された球と共に接触エレメント本体を形成しており、クォーツの他方の叉に接 着された同じ大きさ及び同じ重さの他方のガラス棒３ｂは振動子の対称性に役立 つ。 固体振動子の第１図に示された一般的な向きではその振動方向Ｓが座標測定器 の測定軸ｚに対して平行であり、この場合には、冒頭に検討したような、測定方 向に関連した接触不確実性の相違が生じる。この非対称性は第２図に略示したよ うに本発明に基づき固体振 動子の空間的に斜めの配置により回避される。この場合、フォークの両方の叉２ ａ，２ｂの振動方向Ｓが座標測定器の都合３つの測定軸ｘ，ｙ，ｚに対してそれ ぞれ４５°の角度を成して向けられるように、チューニングフォーククォーツが 座標測定器のこの場合には図示されていない測定アームに形成されている。これ に応じて、３つの方向での接触時に、都合３つの測定方向においてわずかな同じ 大きさの２．５μｍの接触不確実性が生じる。 第３図に示す有利な実施例では接触子の構造が詳しく図示されている。接触子 は円筒状のケーシング１０を備えており、このケーシング内には、振動クォーツ の励起と接触信号の処理とのための電子回路を備えた基板１４が挿入されている 。基板１４の下端部には、チューニングフォーククォーツがそのソケット１によ りケーシングの対称軸線に対して４５°の角度を成して固定されている。 チューニングフォーククォーツの両方の叉２ａ，２ｂの端部にはそれぞれ１つ のガラス棒１３ａ，１３ｂが固定されており、このガラス棒の、チューニングフ ォーククォーツとは反対側の大きい方の端部はケーシングの軸線に対して平行に 屈曲されている。 ケーシング１０の下端部１１は円錐状に形成されており、かつ中央開口１２を 備えており、この中央開口を通ってガラス棒１３ａの接触する側の端部が貫通し ている。ケーシングの下端部のこの円錐状の構成はチューニングフォーククォー ツの空間的に斜めの配置に触発されて行われたものであり、かつ細かいワークの 測定時のワークへの接触子のアクセスを改善する。さらに、ガラス棒１３ａの長 さは一般的な時計クォーツを使用した場合には、振動のために最大限許容される 質量に基づき、チューニングフォーククォーツの叉のところでほぼ１０ｍｍに制 限される。 ケーシング１０の周りにプラスチックスリーブ１５が配置されており、これは その前端部で同様に円錐状に形成されており、かつ不使用時の接触子の保護のた めに破線で示した位置へ移動可能である。ケーシング１０に設けられた環状溝１ ６ａ，１６ｂはプラスチックスリーブ１５の上端に設けられた環状隆起部と協働 してこのプラスチックスリーブを両方の有利な位置で確保する。 ケーシングは座標測定器内への組込み時に、クォーツのチューニングフォーク ２ａ，２ｂひいては振動方向Ｓが、水平な両方の座標方向ｘ，ｙに対して有利に ４５°の角度を成す１平面内に位置するように回転させられる。 以上説明した接触子により、ワークの一般にはｚの方向に向けられた面及び孔 がアクセスに関して容易に接触される。それと同時に、都合３つの座標方向で接 触不確実性の値が同となる。 この効果は第４図に示された実施例でも得られる。この場合、両方のガラス棒 １３ａ，１３ｂは屈曲されずにチューニングフォーククォーツの叉２ａ，２ｂに 角度を成してレーザ光線又はアークにより溶着されている。 両実施例では、１つの振動方向を有し座標測定器の測定方向に対して角度を成 して向けられているそれぞれ１つの固体振動子が図示されている。これにより、 ３つの測定方向での接触エレメントの振動の同程度の大きな成分が得られる。 しかし、空間的に複数の方向で同時に振動する、若しくは接触エレメントの複 数の振動モードを励起する１つの固体振動子により接触エレメントを駆動するこ とも可能である。空間的に都合３つの方向での同程度の小さな接触不確実性は、 接触エレメントの振動の同程度の大きな振幅が空間的に３つの方向で生じること が保証される場合に得られる。 第５図から分かるように、固体振動子はそのソケットに配置された接続部によ り導線ａ，ｂを介して電子装置３０に接続されている。この電子装置３０はさら に第６図に示したように接触エレメントの振動の維持とコンパレータ４１，４２ とのための発振回路を備えており、これらのコンパレータからは、接触エレメン トがワークに接触した際に２つの異なる信号Ａ１，Ａ２が発信される。両方の信 号Ａ１，Ａ２は座標測定器 の制御装置３１に供給されており、この制御装置はデータバスを介して座標測定 器のコンピュータ３２に接続されている。制御装置３１と座標測定機構並びに長 さ測定機構の駆動装置との接続は図示されていない。座標測定機構及び長さ測定 機構により、座標測定器の可動の測定スライダの位置が空間的に３つの方向ｘ， ｙ，ｚで測定される。 発振回路は第６図で符号３３で示されている。発振回路を介して固体振動子、 要するにチューニングフォーククォーツは一定の周波数で駆動される。さらに、 制御回路が設けられており、この制御回路を介して振動の振幅が一定に保たれる 。この回路は制御装置３６から成り、この制御装置には制御パラメータとしてデ ジタル−アナログ変換器３５の出力信号が供給される。これの目標値は電子装置 ３０の基板上で適当なＤｉｐスイッチを介して手動で、又はマイクロプロセッサ を介して例えば制御装置３１により又はコンピュータ３２により予め与えられる 。制御装置３６はデジタル−アナログ変換器３５の出力信号と、直流整流器３４ により直流にされた発振回路３３の信号の実際値、換言すればクォーツの振動の 振幅とを比較する。それに応じて制御装置３６から発信される制御信号は制限器 ３７を介して発振回路３３へフィードバックされる。この手段により、被測定ワ ークの表面への固体振動子の接近時にその振動の振幅が、制限器３７の限界電圧 の到達までは一定に保たれる。この時点からは、ワークの表面に固体振動子がさ らに接近するにつれて次第に強まる緩衝作用に基づき振動が減少してやがてまっ たく消失する。測定過程中の振動のこの時間的な推移が例として第７図に図示さ れている。 接触信号を獲得するために、直流整流器３４の出力側がディフアレンシァル増 幅器３８の一方の入力側に接続されており、このディフアレンシァル増幅器の他 方の入力側にはデジタル−アナログ変換器３５が接続されている。ディフアレン シァル増幅器３８の出力は２つのコンパレータ４１，４２に供給されている。そ の臨界値は制御回路３０の基板上のマイクロプロセッサ又はＤｉｐスイッチを介 して同様にデジタル式に調整され、その際、調整された臨界値を２つのデジタル −アナログ変換器３９，４０がコンパレータ４１，４２のアナログ入力へ変換す る。 コンパレータ４１の臨界値は、振動の振幅の５％の低下がコンパレータ４１を スルースイッチィングせしめ、第１の信号Ａ１を生じるように設定される。この 信号により、座標測定器の長さ測定機構の計数状態が凍結される。この信号は接 触時点を規定する。 これに対してコンパレータ４２の臨界値Ｓ２は振動の信号の振幅の例えば４０ ％という低い値に設定される。これに応じて、コンパレータ４２は、測定過程中 に振動が著しく緩衝された際に、遅れた時点で信号Ａ ２を発信する。 両方の信号の間の時間的なずれは接触速度に依存しており、かつマイクロプロ セッサにより制御装置３１内で、接触速度により修正されたタイムウインドウｔ_F の範囲内の時間的な合致で検知される。上述のタイムウインドウの範囲内での 信号の同時的な出現の場合のみ接触は有効であり、その場合、信号Ａ１の最初の 出現時にすでに凍結された計数状態が接触座標としてピックアップされる。 図示の実施例では信号Ａ１，Ａ２の導出が固体振動子の振動の振幅に基づきコ ンパレータにより行われる。しかし、測定過程時の接触エレメントの次第に強ま る緩衝に基づく振動数シフトを、振動の振幅の評価と組合わせて評価することも 可能である。この場合には、デジタルで調整可能な振動数フィルタを評価電子装 置内に設けるのが効果的である。同様にまた、制限器３７の限界電圧をそのつど の測定目的に合わせて調整するのが効果的である。それというのは、この限界電 圧は第１に接触エレメントと被測定ワークとの接触を規定するからである。 さらにまた、正確な接触時間を規定するために、測定過程中に振動の振幅及び 又は振動数の時間的推移全体をチェックして、貯蔵された信号の経過と比較する ことも可能であり、これにより正確な接触座標を導出することができる。これに 対応する手段についてはＤ Ｅ−ＯＳ４２０４６０２号特許出願公開明細書を参照されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイヤー， ゲルハルト ドイツ連邦共和国 73434 アーレン ア ルバトロス―ヴェーク 32 (72)発明者 シェッペルレ， カール ドイツ連邦共和国 73447 オーバーコッ ヘン ヘアシェルヴェーク 20

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体振動子（１／２）の形態の接触子を備えた座標測定器において、この固 体振動子に接触エレメントとして細い棒が取付けられており、固体振動子（１／ ２）がその振動方向（Ｓ）で座標測定器の都合３つの測定方向（ｘ，ｙ，ｚ）に 対して角度を成して配置されている固体振動子の形態の接触子を備えた座標測定 器。 ２．前記角度が都合３つの測定方向（ｘ，ｙ，ｚ）に関して４５°である請求項 １記載の座標測定器。 ３．少なくとも棒（１３ａ）の接触する側の端部（１３ｃ）が座標測定器の１つ の測定方向（ｚ）に対して平行に延びており、かつ固体振動子（１／２）の振動 方向（Ｓ）に対して角度を成すように向けられている請求項１又は２記載の座標 測定器。 ４．細い棒（１３ａ）が屈曲しており、この結果、その接触する側の端部（１３ ｃ）が座標測定器の１つの測定方向（ｚ）に対して平行に向けられており、かつ 他方の端部が固体振動子（１／２）の振動方向（Ｓ）に対して平行に向けられて いる請求項３記載の座標測定器。 ５．細い棒（２３ａ）が屈曲せずに角度を成して固体振動子（１／２）に固定さ れている請求項３記載の座標測定器。 ６．固体振動子（１／２）が、接触する側で円錐状に形成されたケーシング（１ ０／１１）内に組込まれており、これの中央開口（１２）を通して接触子（１３ ）が貫通係合している請求項３記載の座標測定器。 ７．固体振動子の形態の接触子を備えた座標測定器において、固体振動子に接触 エレメントとして細い棒（３ａ）が取付けられており、接触エレメントの同程度 の大きな振動の振幅が座標測定器の複数の測定方向（ｘ，ｙ，ｚ）に生じるよう に、固体振動子が空間的に複数の方向で同時に振動する座標測定器。 ８．固体振動子（１／２）の形態の接触子を備えた座標測定器において、固体振 動子に接触エレメントとして細い棒が取付けられており、固体振動子が電子装置 （３０）の発振回路（３３）に接続されており、かつ、この発振回路が、接触エ レメントと被測定ワークとの接触を特定する少なくとも２つの異なる信号（Ａ１ ，Ａ２）を発生する座標測定器。 ９．信号がコンパレータ（４１，４２）により発生し、これらのコンパレータに より、固体振動子の振動の振幅又は振動数が、調整可能な少なくとも２つの異な る臨界値（Ｓ１，Ｓ２）と比較される請求項８記載の座標測定器。 10．信号がマイクロプロセッサにより発生し、このマイクロプロセッサが固体振 動子の振幅及び又は振動 数の時間的推移を、貯蔵されているマスター信号の推移により修正する請求項８ 記載の座標測定器。 11．臨界値及び接触信号処理のその他のパラメータがデジタルでマイクロプロセ ッサにより調整可能である請求項９記載の座標測定器。 12．次ぎに記載のパラメータ、即ち発振回路に接続された制限器（３７）の限界 電圧、両方の信号（Ａ１，Ａ２）の許容される継続時間、順序又は時間間隔、接 触信号のための１つ又は複数の振動数フィルタの特性のうちの少なくとも１つが デジタルで調整可能である請求項１１記載の座標測定器。