JPS6334961B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、タツチ信号プローブに係り、特に、
３次元測定機或いは位置測定機に用いるに好適
な、被測定物との接触による接触子の３次元的な
変位をとらえて、接触子と被測定物との接触を検
知するタツチ信号プローブの改良に関する。

一般に、測定基盤上に載置された被測定物の大
きさ及び形状を測定する３次元測定機或いは、工
作機械の刃物台と被加工物との相対的な位置を測
定する位置測定機が知られており、これらの測定
機においては、被測定物に対して任意の方向に移
動可能な移動台に、被測定物との接触による接触
子の３次元的な変位をとらえて、接触子と被測定
物との接触を検知するタツチ信号プローブを装着
し、このタツチ信号プローブにより被測定物との
接触が検知された時の位置信号を測定値とするこ
とにより、正確な測定値を得るようにされてい
る。このタツチ信号プローブは、被測定物と交互
に係合及び離脱させながら１つの測定点から次の
測定点へと迅速に移動させ得るようになつている
が、通常、接触子と被測定物とが係合した瞬間に
直ちにプローブの動きを停止することができない
ので、プローブが限られた量だけ係合点からオー
バーランし得るように、接触子を機構学的位置決
め装置によつて基部に取付け、接触子が基部に対
して相対的に限られた範囲で移動するのを許容し
得るようになつている。又、プローブが被測定物
から離れた時に、接触子を、その初期位置、即ち
静止位置へと復帰するための復元機構が設けられ
ており、前記のオーバーランはこの復元機構の作
用に抗して起こるようにされている。

このようなタツチ信号プローブにおいては、接
触子と被測定物との接触を正確に検出できると共
に、被測定物に当接する接触子が損傷を受けるこ
とのない構造とすることが必要であり、(1)接触子
が被測定物と接触していない状態においては、接
触子とプローブ本体及び移動台との相対位置関係
が常に一定となること、(2)比較的慣性の大きい移
動台に装着される場合や、移動台が高速で移行運
転される場合には、接触時に接触子がプローブ本
体に対して傾き或いは移動して、タツチ信号プロ
ーブのオーバーラン時における接触子に加わる過
大な負荷を吸収できるよう、位置決め装置により
許容される接触子の変位量が大きいこと、(3)接触
子が被測定物に係合した瞬間に発生する接触信号
の応答性が優れていること、(4)被測定物に係合し
た時に接触子に働く力が十分に小さいこと、(5)プ
ローブ移動台がプローブを加速又は減速する際に
接触子又はプローブの他の構成部材に作用する慣
性力により、疑似信号が発生しないこと、等が要
求される。

前記のような目的を達成するタツチ信号プロー
ブとして、例えば特開昭49−94370号に示される
如く、２個の球軸受を接近配置してＶ溝を形成
し、このＶ溝を円周上に120度間隔で３個配設し、
各Ｖ溝に、中央部が接触子の非接触側端部に固定
された円盤状の部材から放射状に延長された軸を
それぞれ収容させるようにして、前記各球軸受と
各軸との係合の有無から接触子と被測定物の接触
を感知するようにしたタツチ信号プローブが提案
されている。

しかしながらこのタツチ信号プローブは、３方
向に突き出た軸を球によつて支持しているので、
測定の不感帯の幅が大きく（8μｍ）、又接触子の
移動方向（Ｘ、Ｙ軸）によつて、１本の軸を持ち
上げて球との接触をオフとする場合と、２本の軸
を持ち上げて球との接触をオフとする場合とで
は、接触子に係る測定力に２倍以上のばらつきを
生じる。したがつて接触子の移動方向によつて測
定精度にばらつきを生じてしまうという不都合が
あつた。

又前記タツチ信号プローブは、接触子を上方で
支持するための上支点がないために、原点位置復
帰性が低く、従つて繰返し測定精度が悪く、更
に、Ｚ軸方向については、前記３本の軸を持ち上
げることによつて測定することになるので、繰返
し精度が低く、不感帯の幅も大きくなるという不
都合があつた。

更にまた、このタツチ信号プローブは、構造が
複雑であり、Ｖ溝を形成するに際し、それぞれの
Ｖ溝が同一形状となるよう球軸受を精密に固定し
なければならず、又、ケーシングに対し各Ｖ溝の
高さ方向を正確に位置決めしなければならず、更
に、各球軸受の加工精度も高度のものが要求され
る等の製造上の欠点を有するだけでなく、外部か
ら侵入した塵埃や構成部品の摩耗により発生した
塵が、前記Ｖ溝内に堆積すると精度が低下し、
又、保守点検も容易ではないという使用上の欠点
を有していた。更に、接触子が球軸受の半径に対
応する角度を越えて回動してしまつた場合には、
円盤状の部材から延長された軸が元のＶ溝内に戻
ることができず、測定に大きな支障をきたす恐れ
もあつた。又、構造が複雑で、各構成要素の加工
精度、組立時の誤差が直ちに精度に影響を与える
ため、特に、数μｍオーダーの精度を要求される
３次元測定機等には不適であつた。

本発明は上記従来の不都合に鑑みてなされたも
のであつて、測定力及び測定精度にばらつきがな
く、しかも不感帯の幅が小さく、原点位置復帰
性、繰返し測定精度の高いタツチ信号プローブを
提供することを目的とする。

又この発明は、簡単な構造により接触子と被測
定物との接触状態を確実に検知することができ、
実用性の高いタツチ信号プローブを提供すること
を目的とする。

この発明は、被測定物との接触による接触子の
３次元的な変位をとらえて、接触子と被測定物と
の接触を検知するタツチ信号プローブにおいて；
本体ケースから垂直下方に突出して先端に前記接
触子を支持するとともに、基端側で吊下げ支持、
位置決めされたスピンドルと；このスピンドルの
軸線と直交する面内に配置され、該スピンドルを
中立位置にあるよう半径方向に付勢してその外径
を挾み込む板ばねからなる弱力ばねおよびこれよ
り強い板ばねからなる強力ばねを１組とする、少
なくとも２組の位置規制手段と；前記測定子が被
測定物に当接したときに生ずる前記スピンドルの
姿勢変化もしくは変位を電気信号として検知する
信号検出手段と；を設け前記スピンドル基端部の
吊下げ支持、位置決め手段を、前記スピンドルが
上方に変位できるよう基端部を載置し前記位置規
制手段の前記強力ばねを、前記スピンドルを中立
位置を越えて付勢しないようにストツパーにより
位置規制し、また前記弱力ばねを、前記強力ばね
と反対方向に前記スピンドルを付勢するように
し、前記信号検出手段を、中立位置における前記
スピンドルと強力ばねとの接触点と、該強力ばね
が前記スピンドルによつて押される時離間する該
強力ばねと前記本体側との接触点と、を電気接続
とし、これら電気接点のオン・オフを検知するよ
うにして上記目的を達成するものである。

又この発明は、前記タツチ信号プローブにおい
て、前記位置規制手段を２組とし、相互に直交す
る方向から前記スピンドルを付勢するように配置
したことによつて上記目的を達成するものであ
る。

又この発明は、前記タツチ信号プローブにおい
て、前記スピンドル基端部の吊下げ支持、位置決
め手段を、該スピンドル基端部を載置するととも
に、これをスピンドル引込み方向に付勢する板ば
ねと、該板ばねを下方から支持し前記スピンドル
の軸方向中立位置より先端方向への突出を前記板
ばねを介して規制するストツパーとにより構成
し、前記信号検出手段を、前記ストツパと前記板
ばねの接触点を電気接点とし、この電気接点のオ
ン・オフを検知するようにして上記目的を達成す
るものである。

又この発明は、前記タツチ信号プローブにおい
て、前記スピンドル基端部の吊下げ支持、位置決
め手段の板ばねに、その自由端近傍にスピンドル
載置用の円孔を形成し、前記スピンドルの基端部
を逆円錐形状とするとともに、該円錐形テーパ面
において前記板ばねの円孔に載置し、かつ基端平
面において、ばねにより先端方向に付勢すること
によつて上記目的を達成するものである。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

この実施例は、図に示されるように、被測定物
との接触による接触子１の３次元的な変位をとら
えて、接触子１と被測定物との接触を検知するタ
ツチ信号プローブＰにおいて；略円筒形状の本体
ケース２から下端開口２Ａを通つて垂直下方に突
出して先端に前記接触子１を支持するとともに、
基端側で吊下げ支持、位置決めされたスピンドル
３と；このスピンドル３の軸線と直交する面内に
配置され、該スピンドル３を中立位置にあるよう
半径方向に付勢してその外径を挾み込む２組の弱
力ばね４Ａ、強力ばね４Ｂと弱力ばね５Ａ及び強
力ばね５Ｂから成る位置規制手段と；前記接触子
１が被測定物に当接した時に生ずる前記スピンド
ル３の姿勢変化もしくは変位を電気信号として検
知する信号検出手段としての電気接点６Ａ，６Ｂ
〜１０Ａ，１０Ｂと；を設けたものである。

前記２組の弱力ばね、強力ばね４Ａ及び４Ｂと
５Ａ，５Ｂは、各々板ばねとされ、そのスピンド
ル３の外径への作用方向が、第２図に示されるよ
うに、Ｘ軸及びＹ軸方向とされている。

前記強力ばね４Ｂ及び５Ｂは、本体ケース２の
外側から、スピンドル３に向つて半径方向に位置
可変として取付けられたサポート１１及び１２
に、これを挾み込むようにして各々ボルト１３及
びナツト１４により締付け固定されている。

前記強力ばね４Ｂ及び５Ｂは前記サポート１１
及び１２の側面をストツパーとして、前記スピン
ドル３をＸ、Ｙ方向の中立位置を越えて付勢しな
いように位置規制され、又前記弱力ばね４Ａ，５
Ａは、前記強力ばね４Ｂ，５Ｂよりも相当程度弱
くされ、中立位置にあるスピンドル３を前記強力
ばね４Ｂ，５Ｂと反対方向に付勢するようにされ
ているが、強力ばね４Ｂ，５Ｂに抗してスピンド
ル３を付勢できないようにされている。

又電気接点６Ａ，８Ａは前記強力ばね４Ｂ，５
Ｂのスピンドル３の外径に接触する部分とされ、
第１図に示されるように、断面が略半円形状とさ
れ、この半円形の円弧の先端においてスピンドル
３の表面に接触するようにされている。

前記強力ばね４Ｂ，５Ｂのスピンドル３と反対
側には、第２図に示されるようにＸ軸及びＹ軸上
に軸線を有するロツド１５，１６が各々一体的に
連結されている。これらロツド１５，１６の後端
は、本体ケース内周面とスピンドル３の略中間位
置で、第２図において、時計方向に各々直角に折
り曲げられ、折曲げ部１５Ａ及び１６Ａを形成し
ている。

これら折曲げ部１５Ａ及び１６Ａには、各々ス
ピンドル３側の面に前記電気接点７Ａ，９Ａが設
けられ、該電気接点７Ａ及び９Ａに対向して本体
ケース２の内周面から延在される接点支持部材１
７及び１８に設けられた接点７Ｂ及び９Ｂが配置
されている。前記接点支持部材１７及び１８は、
その途中に絶縁材１７Ａ，１８Ａが介在され、こ
れによつて接点７Ｂ及び９Ｂと本体ケース２が絶
縁されるようになつている。

又前記強力ばね４Ｂ，５Ｂに取付けられた電気
接点６Ａ，７Ａは、該強力ばね４Ｂ，５Ｂの途中
に絶縁材４Ｃ，５Ｃを介在させることによつて本
体ケース２側との絶縁が形成されている。

前記スピンドル３の上端である基端部３Ａは、
第１図に示されるように、逆円錐台形状とされ、
この基端部３Ａの円錐形テーパ面において板ばね
１９の円孔２０に挿入されることによつて、該板
ばね１９に載置されている。

前記板ばね１９は、その基端部において本体ケ
ース２にボルト２１によつて片持ち状に固定さ
れ、前記円孔２０は該片持ち状の板ばね１９の自
由端側に形成されている。

前記板ばね１９の先端は、第１図に示されるよ
うに、該板ばね１９と反対方向から半径方向に片
持ち状に配置された強力板ばね２２の先端上面の
電気接点１０Ｂに上方から接触することによつ
て、下方への変位が規制され、これによつて前記
スピンドル３は、軸方向中立位置より先端方向へ
の突出が規制されている。図の符号２３は強力板
ばね２２を片持ち状に支持するためのボルトを示
す。

又前記スピンドル３の基端部３Ａは、その逆円
錐台の底面である基端平面２４と本体ケース２の
蓋部２Ｂとの間に装架された圧縮コイルばね２５
により下方に付勢されている。

前記板ばね１９は、第１図に示されるようにス
ピンドル３が中立位置にある時、無負荷状態より
も図において下方に変形され、即ち蓄力状態とな
るように取付けられるとともに、圧縮コイルばね
２５の下方への復元力及びスピンドル３の荷重と
の合力によつて容易にたわむ程度の強さとされて
いる。

又前記強力板ばね２２は、圧縮コイルばね２５
の復元力及びスピンドル３の荷重との合力によつ
てもたわまない強さとされるとともに、板ばね１
９を介してスピンドル３を中立位置に維持できる
ようにされている。この強力板ばね２２は、スピ
ンドル３が異常な力によつて先端方向に引張られ
るような場合に撓むことによつてプローブの破壊
を防止するものである。前記強力板ばね２２は、
絶縁材２２Ａによつて本体ケース２との電気的絶
縁状態が形成されている。

前記電気接点６Ａと７Ａ，７Ｂ，８Ａと９Ａ，
９Ｂ及び１０Ｂは各々独立して電気信号取出用導
線６Ｃ〜１０Ｃが接続され、又他の電気接点６
Ｂ，８Ｂ，及び１０Ａは各々本体ケース２を介し
て接地され、これによつて、スピンドル３のＸ軸
プラス方向への変位は電気接点６Ａ，６Ｂ、Ｘ軸
マイナス方向への変位は電気接点７Ａ，７Ｂ、Ｙ
軸プラス方向への変位は電気接点８Ａ，８Ｂ、Ｙ
軸マイナス方向への変位は電気接点９Ａ，９Ｂ、
又Ｚ軸方向には電気接点１０Ａ，１０Ｂの各々の
オープンによつて検出されるように構成するもの
である。具体的には、例えば第４図に示されるよ
うに、各接点６Ａ，７Ｂ，８Ａ，９Ｂ及び１０Ｂ
と検出回路２６を並列に接続するとともに、本体
ケース２も検出回路２６に接続し、前記電気接点
の少なくとも１個がオフ状態になつたことから、
接触子１と被測定物との接触を検出するものであ
る。図の符号３Ｂは絶縁材を示し、接触子１とス
ピンドル３の上半部とを電気的に絶縁するもので
ある。

次に本実施例に係るタツチ信号プローブＰの作
用を説明する。

まず接触子１が被測定物と接触していない定常
状態においては、スピンドル３はサポート１１及
び１２によつて変位を規制された強力ばね４Ｂ，
５Ｂと、これに対向する弱力ばね４Ａ，５Ａによ
つてＸ軸及びＹ軸方向に同時に位置決めされてい
る。又Ｚ軸方向については、スピンドル３の基端
部３Ａを載置する板ばね１９が強力板ばね２２に
よつて下方へ撓むことが規制されているので、こ
れによつても位置決めされている。

プローブ移動体等の移動に伴なつてタツチ信号
プローブＰが移動され、接触子１の先端が被測定
物に当接すると、例えば第２図におけるＸ軸のマ
イナス方向に当接すると、スピンドル３は弱力ば
ね４Ａに抗してＸ軸のプラス方向に変位し、これ
によつて電気接点６Ａ及び６Ｂが非接触状態とな
る。従つてこの非接触状態が検出回路２６により
検出され、被測定物と接触子１との接触が検出さ
れる。このとき、弱力ばね４Ａが変形しても、強
力ばね４Ｂはスピンドル１３の変位に追従しない
ので、電気接点６Ａ，６Ｂが開くまでの不感帯は
極めて短くなる。

被測定物への接触の後にタツチ信号プローブＰ
がＸ軸のプラス方向に戻ると、スピンドル３の基
端部３Ａは、その基端平面２４が圧縮コイルばね
２５によつて付勢されているので、極めて迅速に
中立位置に復元されることになる。従つて繰返し
測定は迅速かつ精度良くなされることになる。

タツチ信号プローブＰがＸ軸のプラス方向に移
動する場合は、接触子１が被測定物に当接する
と、スピンドル３は強力ばね４Ｂに抗してＸ軸の
マイナス方向に変位される。

従つてスピンドル３は、基端部３Ａを中心とし
て傾動し、この時ロツド１５をＸ軸マイナス方向
に押すことになる。ロツド１５がＸ軸のマイナス
方向に変位されると、その折曲げ部１５Ａに形成
された電気接点７Ａが電気接点７Ｂから離間し
て、非接触状態となる。この非接触状態は前述と
同様に検出回路２６によつて検出され、スピンド
ル３の接触子１が被測定物に当接したことが検出
される。

Ｙ軸方向についても上述と同様であるので説明
は省略する。

Ｚ軸方向については、タツチ信号プローブＰが
下方に変位されると、スピンドル３の先端の接触
子１が被測定物に上方から当接し、これによつて
スピンドル３が圧縮コイルばね２５に抗して上方
に変位される。

スピンドル３が上方に変位すると、スピンドル
３の基端部３Ａを支持する板ばね１９が解放され
るので、その自由端が上方に迅速に復元する。従
つて板ばね１９先端の電気接点１０Ａと強力板ば
ね２２先端の電気接点１０Ｂが離間してこの非接
触状態が検出回路２６によつて検出され、被測定
物と接触子１との接触が検出されることになる。

このとき、強力ばね２２は、スピンドル１３の
上方変位に追従しないので、電気接点１０Ａと１
０Ｂは迅速に開き、不感帯は短い。

タツチ信号プローブＰが上方に復帰すると、板
ばね１９は、スピンドル３の荷重及び圧縮コイル
ばね２５の復元力によつて迅速に復帰し、電気接
点１０Ａと１０Ｂが閉成される。測定中にスピン
ドル３が誤つて下方に引張られる等のスピンドル
３突出方向への異常な力が加わつた場合は、強力
板ばね２２が撓むことによつて、電気接点１０
Ａ，１０Ｂ或いはスピンドル３の損傷が防止され
ることになる。

既述の如く、タツチ信号プローブにおいては、
その不感帯の幅が問題となるが、この実施例にお
いては、Ｘ、Ｙ軸方向については弱力ばね４Ａ，
５Ａ及び強力ばね４Ｂ，５Ｂの強さ及びＺ軸方向
については板ばね１９及び圧縮コイルばね２５の
強さ並びにスピンドル３の自重を調整することに
よつて不感帯の幅を小さく調整できる。この場合
弱力ばね４Ａ，５Ａ及び強力ばね４Ｂ，５Ｂの調
整は、サポート１１及び１２を本体ケース２に対
してＸ軸及びＹ軸方向にその進退量を調整するこ
とによつて行なうことができる。

前記実施例においては、接触子１と一体のスピ
ンドル３を付勢する板ばねの変位を介して電気接
点を開き、かつ、一方の板ばねを強力に、他方の
板ばねを弱力にし、弱力ばねの変位に、強力ばね
が追従しないようにしたので、測定における不感
帯の幅を従来は8μｍであつたのに対して２〜3μ
ｍとすることが可能になつた。又測定力のばらつ
きについても、測定方向の相違によるばらつきが
解消された。

更に接触子１と一体のスピンドル３の基端部３
Ａを逆円錐台形状として、これを板ばね１９によ
り支持するとともに、その基端平面２４を圧縮コ
イルばね２５によつて付勢するようにしたので、
スピンドル３の姿勢変化に対する復帰動作を迅速
にすることができ、これによつて繰返し測定を容
易、確実としたという効果がある。

なお上記実施例は、スピンドル３の基端部３Ａ
を板ばね１９によつて、強力板ばね２２を介して
支持するとともに、圧縮コイルばね２５によつて
先端方向に付勢し、これによつて位置決めするも
のであるが、本発明はスピンドル３の基端部を単
に吊り下げ支持するようにしたものも含むもので
ある。

又前記実施例は、スピンドル３のＸ軸方向の位
置決め及びその姿勢変化もしくは変位の検出手段
として、板ばねである弱力ばね及び強力ばねをＸ
軸方向及びＹ軸方向に各１組使用しているが、本
発明は、これらのばねが３組以上の場合も包含す
るものである。

但し弱力ばね及び強力ばねを３組以上とした場
合は、スピンドル３を拘束する力が強くなる可能
性があるので、その力の調節が問題となる。

本発明は、被測定物との接触による接触子の３
次元的な変位をとらえて、接触子と被測定物との
接触を検知するタツチ信号プローブにおいて、上
記のように構成したので、測定力及び測定精度に
ばらつきがなく、しかも不感帯の幅が小さく、原
点位置復帰性、繰返し測定精度を高くすることが
できるという優れた効果を有する。又簡単な構造
により接触子と被測定物との接触状態を確実に検
知することができ、実用性が高いという効果も有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタツチ信号プローブの実
施例を示す縦断面図、第２図は第１図の−線
に沿う断面図、第３図は第１図の−線に沿う
断面図、第４図は同実施例における検出回路を示
すブロツク図である。 Ｐ……タツチ信号プローブ、１……接触子、２
……本体ケース、３……スピンドル、３Ａ……基
端部、４Ａ，５Ａ……弱力ばね、４Ｂ，５Ｂ……
強力ばね、６Ａ，７Ｂ，８Ａ，９Ｂ，１０Ｂ……
電気接点、１１，１２……サポート、１９……板
ばね、２０……円孔、２２……強力板ばね、２４
……基端平面、２５……圧縮コイルばね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定物との接触による接触子の３次元的な
   位置をとらえて、接触子と被測定物との接触を検
   知するタツチ信号プローブにおいて；本体ケース
   から垂直下方に突出して先端に前記接触子を支持
   するとともに、基端側で吊下げ支持、位置決めさ
   れたスピンドルと；このスピンドルの軸線と直交
   する面内に配置され、該スピンドルを中立位置に
   あるよう半径方向に付勢してその外径を挾み込む
   板ばねからなる弱力ばねおよびこれより強い板ば
   ねからなる強力ばねを１組とする、少なくとも２
   組の位置規制手段と；前記測定子が被測定物に当
   接したときに生ずる前記スピンドルの姿勢変化も
   しくは変位を電気信号として検知する信号検出手
   段と；を設け、前記スピンドル基端部の吊下げ支
   持、位置決め手段は、前記スピンドルが上方に変
   位できるよう基端部を載置し、前記位置規制手段
   の前記強力ばねは、前記スピンドルを中立位置を
   越えて付勢しないようにストツパーにより位置規
   制され、また前記弱力ばねは、前記強力ばねと反
   対方向に前記スピンドルを付勢するようにされ、
   前記信号検出手段は、中立位置における前記スピ
   ンドルと強力ばねとの接触点と、該強力ばねが前
   記スピンドルによつて押される時離間する該強力
   ばねと前記本体との接触点と、を電気接点とし、
   これら電気接点のオン・オフを検知するようにさ
   れたことを特徴とするタツチ信号プローブ。 ２ 前記位置規制手段は２組であつて、相互に直
   交する方向から前記スピンドルを付勢するように
   配置されたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のタツチ信号プローブ。 ３ 前記スピンドル基端部を載置するとともに、
   これをスピンドル引込み方向に付勢する板ばね
   と、該板ばねを下方から支持し前記スピンドルの
   軸方向中立位置より先端方向への突出を前記板ば
   ねを介して規制するストツパーと、を有し、前記
   信号検出手段は前記ストツパーと前記板ばねの接
   触点を電気接点とし、この電気接点のオン・オフ
   を検知するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項又は第３項記載のタツチ信号プロー
   ブ。 ４ 前記スピンドル基端部の吊下げ支持、位置決
   め手段の板ばねは、その自由端近傍にスピンドル
   載置用の円孔が形成され、前記スピンドルの基端
   部は逆円錐形状とされるとともに、該円錐形テー
   パ面において前記板ばねの円孔に載置され、かつ
   基端平面において、ばねにより先端方向に付勢さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   のタツチ信号プローブ。