JPH09507918A - 接触プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 接触プローブは検出モジュール（１０）と、検出モジュールに磁力で保持され、かつ、カイネマチックに配置されたスタイラスモジュール（１２）とを有している。スタイラスモジュール（１０２）はスタイラスモジュール（１２）内のカイネマチックな定置位置に押圧されている。検出モジュール（１０）は、コネクタ（１４）と円筒状ハウジング（１６）と回路支持構造体（１８）とにより構成された固定構造体を有している。中間負荷部材（３０）は、比較的弾性のダイアフラム（４０）によって一端が回路支持構造体（１８）に連結され、軸線Ａに対して４５°の角度で延びる３つの連結支柱（５０）によって他端が連結されている。負荷部材（３０）は、スタイラスモジュール（１２）が上に載置される円状の保持板（２２）を支持している。測定作業の間、スタイラスチップ（１１２）に作用される力は、スタイラスホルダ（１０２）のカイネマチックな停止位置を外れる移動の前に支柱（５０）の曲げと、ダイアフラム（４０）の変形とを生じさせる。連結支柱（５０）に設けられた歪ゲージはこの曲げを検出し、これに従って出力信号を発信する。

Description

【発明の詳細な説明】 接触プローブ発明の背景 １．発明の分野 この発明は、接触プローブ、例えば、機械が表面の位置を計測するのを可能と するために工作機械または座標測定装置のような座標位置決め機械の可動アーム に取付けられ得る接触プローブに関するものである。１つの周知の型の接触プロ ーブには“接触トリガープローブ”があり、このような接触プローブは、プロー ブが可動アームに支持されているハウジングのような固定構造体と、自由端部に 検出チップを有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホルダとを有してい る。スタイラスホルダは固定構造体に対して停止位置に配置されており、力がス タイラスに作用された時にスタイラスホルダが停止位置から動くことができ、力 が除かれた後にスタイラスホルダは停止位置に戻る。使用中、位置が測定される べき目的物にスタイラスの検出チップが接触するまで、機械の可動アームは駆動 される。検出チップと目的物の間の接触によって、工作機械の制御部にプローブ を接続するインターフェース処理回路からのトリガー信号の発信を生じる。トリ ガー信号は、可動アームの位置を記録し、かつ、可動アームの動きを抑制するよ う用いられる。 ２．関連技術の説明 目的物が引張または圧縮される時に、出力信号を発信するプローブ内の１つ以 上のセンサーを用いることによってスタイラスの検出チップと検査中の表面との 間の接触を検出することが知られている。これらセンサは、例えば米国特許第4, 177,568号、米国特許第4,364,180号、米国特許第4,455,755号、米国特許 第5,435,072号、WO86/03829に示されるような圧電部材としたり、あるいは米国 特許第4,462,162号、米国特許第4,813,151号または米国特許第5,339,535号に示 されるような歪ゲージとすることができる。発明の要約 この発明は代替的な接触プローブを提供するものである。この発明によれば、 互いに対し可動なアームとベースとを有する座標位置決め機械に用いられる接触 プローブは、 軸線を有する固定構造体と、 少なくとも１つの第１接続要素による第１位置および少なくとも１つの第２接 続要素による、第１位置から軸線方向に隔たる第２位置にて前記固定構造体に接 続された負荷部材と、 前記負荷部材に接続された少なくとも１つの第１係合要素と、 検出チップをその自由端に有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホル ダであって、該スタイラスホルダは少なくとも１つの第２係合要素を有し、前記 第１および第２係合要素は、前記スタイラスホルダの停止位置をもたらすべく相 互に係合可能であるスタイラスホルダと、 前記スタイラスホルダに軸線方向の押圧力を作用させ前記第１および第２係合 要素が前記相互係合するよう押圧する押圧手段であって、前記スタイラスホルダ は力が検出チップに作用される時に、押圧手段の作用に対向して変位可能であり 、前記第１および第２係合要素の離脱を生ぜしめ、前記第１および第２係合要素 は、前記作用された力が除かれた時に押圧手段の作用の下で再係合可能であって 前記スタイラスを停止位置に戻すようなす押圧手段と、 前記接続要素の１つ以上の変形に基づく前記固定構造体と前記負荷部材との相 対的動きの変化に応答した信号を発信するよう引張と圧縮とに感応する複数個の センサと、を備え、 前記第１および第２接続要素の剛性および前記センサの感度は、力が前記検出 チップに作用されたときに、前記センサの少なくとも１つが前記第１および第２ 係合要素の離脱の前に前記接続要素の少なくとも１つ内の歪みを示す信号を発信 するようになされている。 このようなプローブは２次元プローブまたは３次元プローブのいずれかとして 機能するよう適合できる。図面の簡単な説明 この発明の実施例が例示としてかつ添付図面を参照して以下に説明されよう。 図１はこの発明に従ったプローブの一実施例における断面図で、 図２は図１に示されるプローブの一部の斜視図である。好ましい実施例の説明 図１をいま参照するに、接触プローブは歪み感知検出モジュール１０と、検出 モジュール１０に離脱自在に連結可能なスタイラスモジュール１２を有している 。スタイラスモジュール１２は検出モジュール１０に磁力で保持されていて、検 出モジュール１０とスタイラスモジュール１２にそれぞれ設けられた永久磁石２ ４Ａ，２４Ｂによって（別のスタイラスモジュール１２と交換することができ） 、検知モジュール１０の３つの球２６とスタイラスモジュール１２の３つのＶ溝 ２８の形態のカイネマチック(kinematic)支持によって繰返して配列される。ス タイラスモジュール１２はケーシング１００と、ばね１０４によってケーシング １００に関して停止位置に押圧されたスタイラスホルダ１０２とを有する。ケー シング１００に設けられた３つの球１０６とスタイラスホルダ１０２に形成され た３のＶ溝１０８との形式の協同する係合要素はスタイラスホルダ１０２を前述 の停止位置に配置する。全ての適切な数と形状の係合要素を用いることができる 。 検出モジュール１０は、ねじの切られた同軸の電気コネクタ１４と円筒状のハ ウジング１６と、細長いほぼ三角形状の回路支持構造体１８とによって構成され た固定構造体を有しており、これらいずれの部材も互いにしっかりと連結されて いる。負荷部材３０は、回路支持構造体１８の中心を通って延びており、比較的 弾性のダイアフラム４０によってターミナル１４に隣接した回路支持構造体１８ の端部と、３つの等間隔に設けられた比較的弾性の連結支柱５０によって回路支 持構造体１８の軸方向に隔った末端部とに連結されている。図示実施例において 、ダイアフラム４０は“マン島”形をなしているが、他のダイアフラムを用いる こともできる。連結支柱５０は、軸線Ａに対してほぼ４５°の角度をなしており 、各連結支柱５０の軸線は大体軸線Ａ上のほぼ共通の一点で交差している。各連 結支柱５０は歪ゲージ（図示しない）を有しており、これら歪ゲージは回路支持 構造体１８が回りを取り囲んでいるＡＳＩＣ信号プロセッサ６０にそれぞれ接続 されている。 負荷部材３０は円形保持板２２をしっかりと支持しており、この保持板２２の 上に永久磁石２４Ａと球２６が設けられている。スタイラスモジュール１２が検 出モジュール１０に連結された時に、スタイラスモジュール１２のケーシング１ ００は、従って、検出モジュール１０とスタイラスモジュール１２の磁気連結の 剛さの制限内で負荷部材３０と効果的に固着される。 スタライスホルダ１０２は、自由端部に球状検出チップ１１２を有する細長い スタイラス１１０を支持している。測定作業の間、接触プローブが取り付けられ た工作機械のアームは、検出チップ１１２を動かして、位置が測定される表面と 接触するよう駆動される。検出チップ１１２の接触で、接触により生じた初期歪 みがスタイラスモジュール１２を介して負荷部材３０に、両部材の比較的剛的な 連結に基づいて伝達される。固定構造体に対する、特に検出モジュール１０の回 路支持構造体１８に対する結果としての負荷部材３０の微小な動きは、少なくと も弾性連結支柱５０の小さな撓みと共に、ダイアフラム４０の変形に帰する。ダ イアフラム４０の変形特性は、表面との接触によって検出チップ１１２に作用さ れる力の方向に依存している。例えば、軸線Ａと直角な方向の作用力は、ダイア フラム４０の領域内のある一点のまわりの負荷部材３０の回動と、従ってダイア フラム４０の小さなゆがみ(buckling)とに帰する。軸線方向の力は負荷部材３０ を直線的に動かすようになす。 連結支柱５０の撓みまたは他の変形は、連結支柱５０に支持された歪ゲージを 横切る抵抗の対応する変化を生じさせる。この抵抗の変化は、ＡＳＩＣプロセッ サ６０によって検出されこれは結果としてトリガー出力を発生する。連結支柱５ ０の剛性と歪ゲージの感度は、検出チップ１１２が表面と接触した後の比較的短 時間に、かつ、どんな場合でも、スタイラスモジュール１２内の係合要素１０６ ，１０８がまた係合している間にトリガー信号が発生されるようにする。工作機 械のアームのさらなる動きは、工作機械制御によるトリガー信号の受信がその動 きを阻止する前に起り、この一層の動き（“オーバトラベル”）は係合要素１０ ６，１０８の離脱によって許容される。 アームが停止した時に、アームはそこで表面から離れるよう逆送され、そのと き、押圧ばね１０４は要素１０６，１０８の再係合を生じさせてスタイラス−表 面の接触に起因する歪が除かれる。従って、連結支柱５０の結果としての変形が 消滅し、歪ゲージの抵抗が歪ゲージの以前の値に実質的に戻ってＡＳＩＣプロセ ッサ６０の出力に対応する変化を生じさせる。好適に、ＡＳＩＣプロセッサ６０ は米国特許第４，８１７，３６２号明細書に記載されるように歪ゲージの抵抗の 長期ドリフトを考慮した自動ゼロ回路を有していて、これによってこのようなド リフトに基づく誤トリガーの発生を阻止する。 歪ゲージの感度と連結支柱５０の対応する相対的もろさは、検出モジュール１ ０が、例えば、モジュールの落下により生ずる損傷に過剰に影響を受け易いこと を意味している。従って、１つの実施例では、連結支柱５０の領域と負荷部材３ ０と支持構造体１８は、小さな間隔（１０ミクロンの大きさ）で互いに離間され ている相互に対向した截頭円錐面６２，６４を有している。油の被膜が、毛管作 用によって結果としての空間内に保持されている。本発明者等は、プランジャ３ ０および回路支持構造体１８上の対向する截頭円錐面６２，６４間の隙間を満た す油によってもたらされる“スクイーズ・フィルム・ダンバ(squeeze-film damp er)”が検出モジュール１０が落とされた時に衝撃の大部分を緩和するように作 用し、これによって接触プローブの損傷に対する感受性を減少させることを見い 出した。 説明した実施例は、離脱自在に連結可能なモジュール１０，１２を有するプロ ーブ構造を参照してこの発明を例示している。代案として、スタイラスホルダが 負荷部材３０の保持板２２に係合すべく直接押圧されている通常の構造が適用さ れてもよい。 歪ゲージの代りとして、圧電素子や電歪素子のような引張と圧縮に感応する他 のセンサが使用できる。どの場合にも、センサは連結支柱５０に設ける必要はな く、ダイアフラム４０を含むどのような適した位置にこれらセンサを配置しても よい。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 信する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．互いに対し可動なアームとベースとを有する座標位置決め機械に用いられる 接触プローブであって、 軸線を有する固定構造体と、 少なくとも１つの第１接続要素による第１位置および少なくとも１つの第２接 続要素による、第１位置から軸線方向に隔たる第２位置にて前記固定構造体に接 続された負荷部材と、 前記負荷部材に接続された少なくとも１つの第１係合要素と、 検出チップをその自由端に有する細長いスタイラスを支持するスタイラスホル ダであって、該スタイラスホルダは少なくとも１つの第２係合要素を有し、前記 第１および第２係合要素は、前記スタイラスホルダの停止位置をもたらすべく相 互に係合可能であるスタイラスホルダと、 前記スタイラスホルダに軸線方向の押圧力を作用させて前記第１および第２係 合要素を前記相互係合するよう押圧する押圧手段であって、前記スタイラスホル ダは力が検出チップに作用される時に、押圧手段の作用に対向して変位可能であ り、前記第１および第２係合要素の離脱を生ぜしめ、前記第１および第２係合要 素は、前記作用された力が除かれた時に押圧手段の作用の下で再係合可能であっ て前記スタイラスを停止位置に戻すようなす押圧手段と、 前記接続要素の１つ以上の変形に基づく前記固定構造体と前記負荷部材との相 対的動きの変化に応答した信号を発信するよう引張と圧縮とに感応する複数個の センサと、を備え、 前記第１および第２接続要素の剛性および前記センサの感度は、力が前記検出 チップに作用されたときに、前記センサの少なくとも１つが前記第１および第２ 係合要素の離脱の前に前記接続要素の少なくとも１つ内の歪を示す信号を発信す ることを特徴とする接触プローブ。 ２．前記第１位置は前記第２位置よりもスタイラスの検出チップに近接して配置 され、軸線を横切る方向に作用する前記検出チップへの力の作用時に前記少なく とも１つの第２接続要素は、前記第１および第２の相互に係合可能な要素の離脱 の前に固定構造体に対するスタイラスホルダと負荷部材との傾斜変位を許すこと を特徴とする請求項１記載の接触プローブ。 ３．前記少なくとも１つの第２接続要素は、前記検出チップへの軸線方向の力の 作用時に、固定構造体に対する負荷部材の軸線方向の変位を許すことを特徴とす る請求項２記載の接触プローブ。 ４．３つの第１接続要素を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記 載の接触プローブ。 ５．前記第１接続要素は前記軸線に対して傾斜されていることを特徴とする請求 項１〜４のいずれかに記載の接触プローブ。 ６．前記少なくとも１つの第２接続要素がダイアフラムであることを特徴とする 請求項１〜５のいずれかに記載の接触プローブ。 ７．前記センサは固定構造体と負荷部材との間に配置されていることを特徴とす る請求項１〜６のいずれかに記載の接触プローブ。 ８．前記センサは前記第１および／または前記第２接続要素に設けられているこ とを特徴とする接触プローブ。