JP3810651B2

JP3810651B2 - タッチ信号プローブの着座機構

Info

Publication number: JP3810651B2
Application number: JP2001165399A
Authority: JP
Inventors: 幸二依田; 智之宮崎; 豊西辻
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002357412A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元測定機などに装着されるタッチ信号プローブの着座機構に関する。より詳しくは、固定要素と可動要素とを備え、可動要素に外部から力が作用したとき固定要素に対する可動要素の変位を許容し、かつ、可動要素に作用する力がなくなった後に可動要素を正確に静止位置に復帰させるタッチ信号プローブの着座機構に関する。
【０００２】
【背景技術】
三次元測定機では、接触検出にあたりタッチ信号プローブが広く用いられている。このようなタッチ信号プローブを用いた三次元測定機では、載物台上に置かれたワークに対して、三次元方向に相対移動可能なプローブの接触子を接触させ、接触子がワークに接触した瞬間を電気的なトリガとして各軸（三次元方向の各軸）の座標値を読み取り、これらの座標値を基にワークの寸法や形状を求める。このため、プローブとワークとの接触状態を電気的なタッチ信号として位置を検出することができる。
【０００３】
図１は従来のタッチ信号プローブを示している。同図において、スタイラス１は可動要素２に固定されている。スタイラス１の先端には球状の接触子８が設けられている。可動要素２の周囲には、３本の円柱体３が、スタイラス１の軸線に対して直角な面内で、かつ、スタイラス１の軸線を中心として１２０度間隔で放射状に突設されている。一方、固定要素５には、２つの硬球６が３組、可動要素２の円柱体３と対応する位置にそれぞれ固定されている。ここに、円柱体３と硬球６とは、固定要素５と可動要素２との相対位置を一義的に定める着座要素を構成している。
【０００４】
このような構成において、可動要素２を付勢要素７による付勢力Ｆの作用により固定要素５に押圧し、着座要素を介して可動要素２を固定要素５に強制的に接触させる。スタイラス１の先端の接触子８に被測定物からの押圧力が付与されていない状態では、可動要素２は固定要素５に６ヶ所の接触点で静止している。つまり、可動要素２の各円柱体３が硬球６と２点、全体として６点で静止している。従って、これを６点接触型着座機構と呼ぶ。これらの６点の接触点はいずれも電気的にスイッチとして直列接続されており、接触子８がワークＷに接触して可動要素２が逃げ動作を行うことで、６点の接触点のいずれかが離隔するので、タッチ信号とすることが出来る。
【０００５】
このような６点接触型着座機構では、可動要素が逃げ動作を行った後の復帰位置が一義に定まる。すなわち、スタイラス１が、可動要素側着座要素及び固定要素側着座要素の接触を保ちつつスタイラス１の静止位置の軸線方向と平行に各接触点方向に変位することを仮定した場合、前記スタイラスの先端の描く各軌跡は前記スタイラスの前記静止位置における軸線と交叉することになる。このような構成によれば、ワークＷからの押圧力によって可動要素２が逃げ動作を行った後の復帰動作時に、付勢力Ｆによって各接触点との接触を回復するのみでスタイラス１は一義的な静止位置に復帰し、スタイラス１の静止位置を一定に保つことが可能である。
【０００６】
この６点接触型着座機構では、６点の接触により固定要素に対する可動要素の位置が一義的に決まるため、着座状態での耐振動剛性が高い。また、どの方向から押圧力が加えられた場合でも、例えば１０μｍ単位の比較的粗いオーダーで見たときには高い復帰精度を有している。
【０００７】
ところが、前述のような６点接触型着座機構では、さらに高い精度、例えば１μｍあるいはそれ以下で見たとき、接触後の復帰動作の際に、可動要素の逃げ動作の際に可動要素の接触子がワークに押し込まれ固定要素に対して相対変位を起こすことによる誤差（着座ずれ誤差）が生じていた。
【０００８】
すなわち、ワークＷに対して接触子８がスタイラス１の軸直交方向に接触して押込まれた場合、スタイラス１と可動要素２は傾斜して、硬球６と円柱体３は離隔する。この時、可動要素２と固定要素間にはほとんど逆向きの抗力が生じず、わずかではあるが、可動要素２にスタイラス軸直交方向のずれを生じる。その後、ワークＷと接触子８の接触がなくなると、可動要素２は付勢力Ｆにより復帰動作を行うが、前述のずれにより可動要素２とスタイラス１に復帰位置のずれ（着座ずれ）を生じる。このずれは、プローブの測定精度に直接影響する。
【０００９】
このような復帰動作後の着座位置ずれを修正する着座機構として、図２に示される着座機構が提案されている（特開平１０−９６６１８号）。これは、圧電素子等を用いて着座機構の可動要素と固定要素との接触点に作用する摩擦力の方向を管理することにより着座ずれを修正しようとするものである。
【００１０】
この着座機構は、固定要素１１と、可動要素２１と、この可動要素２１に外部から力が作用したとき固定要素１１に対する可動要素２１の変位を許容し、かつ、可動要素２１に作用する力がなくなったとき可動要素２１を静止位置に復帰させる付勢力発生手段（図示せず）とを備える。
【００１１】
可動要素２１には被測定物と接触する球状の接触子２４を有するスタイラス２２が突設されており、スタイラス２２の軸直交方向に対し１２０度間隔で放射状に固定要素１１と接触する３本の円柱体２３を有する。
【００１２】
固定要素１１は、その中心部分がプローブのハウジング（図示せず）に固定されており、スタイラス２２の軸を中心に１２０度間隔で放射状に延びた３本の腕部１２を有し、その各腕部１２の先端上面に２つの硬球１３が配置されている。また、各腕部１２において、硬球１３より内側部分に変位発生機構としての圧電素子１４がスタイラス２２の軸線に対し放射方向に略沿って伸縮するように配置されている。
【００１３】
ここで各圧電素子１４に電圧を印加すると、各圧電素子１４は同期して変位し、各硬球１３はスタイラス２２の軸を中心に略放射方向に変位する。なお、ここでいう変位とは静的な変位であり、圧電素子により徐々に変位が与えられるものである。
この変位により、円柱２３と硬球１３の各接触点での摩擦力の方向が一定に揃い、付勢力によって静止位置に復帰するように着座位置が調整される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の着座機構では、軸方向ずれ、すなわち円柱２３の軸方向への着座ずれ誤差は効果的に修正できるものの、付勢要素７として圧縮コイルばねを用いた場合に極めてわずかではあるが、コイルばねによって発生する回転モーメントなどによる可動要素の周方向ずれ、すなわち、スタイラス２２の軸線を中心とする周方向への着座ずれ誤差は必ずしも十分に修正できなかった。これに対して、円柱体２３の硬球１３との接触部を円錐状として、可動要素２１が固定要素１１に対してスタイラス軸を中心とした回転ずれを生じることを防止する着座機構が提案されている（特開２００１−４３１２号、特開２００１−４３５６号）。しかしこの着座機構は、円柱体の硬球との接触部を極めて精密に円錐状に加工する必要があり、極めてコストの高いものとなる課題があった。
また、圧電素子１４の駆動点を連結して固定した変位発生機構によって変位を与えた場合、連結部材の伸縮に伴って発熱を生じたり、材質が劣化するなどの課題があった。
本発明の目的は、可動要素の復帰動作後に、高精度に着座ずれ誤差の修正を可能にするタッチ信号プローブの着座機構を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、固定要素と、スタイラスが取り付けられた可動要素と、前記固定要素上に設けられた固定要素側着座要素と、前記可動要素に設けられ前記固定要素側着座要素と互いに離隔した３箇所のそれぞれにおいて２点一対の接触点で接触する可動要素側着座要素とを有するタッチ信号プローブの着座機構において、前記スタイラスに外部から力が作用したとき前記固定要素に対する前記可動要素の変位を許容し、かつ、前記スタイラスに作用する外力がなくなったとき付勢力により前記可動要素を静止位置に復帰させる付勢要素と、前記固定要素側着座要素に対して、前記可動要素側着座要素を、相対駆動させる駆動手段と、を有し、前記固定要素側着座要素は硬球を含み、この硬球への電気的接続は弾性舌片で押圧して行うことを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明において、前記駆動手段は、前記固定要素側における前記接触点及び前記可動要素側における前記接触点を、相対的に少なくとも所定距離変化させる接触点変位手段であることが好ましい。
又、本発明において、前記駆動手段は、前記可動要素に作用する外力がなくなった後、前記固定要素側における前記接触点と前記可動要素側における前記接触点の接触を保ちつつ一定時間の間のみ、相対振動させることが好ましい。
【００１７】
更に、本発明において、前記駆動手段の駆動点を連結して固定する収容部の材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ１１００００Ｎ／ｍｍ^２以下の範囲にあることが好ましい。
又、本発明において、前記可動要素側着座要素は円柱体であることが好ましい。
更に、本発明において、前記駆動手段の収容部の材質はベリリウム銅であることが好ましい。
又、本発明において、前記弾性舌片の材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ１１００００Ｎ／ｍｍ^２以下の範囲にあることが好ましい。
【００１８】
更に、本発明において、前記付勢要素による前記可動要素への付勢点を含む付勢領域の直径は、前記スタイラスの軸を中心とし、前記接触点を円周上に含んで形成される着座円（キネマティック円）の直径に対して２０％以下で且つ略ピンポイント以上であることを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明において、前記付勢領域の中心は、前記可動要素の重心位置に略一致することが好ましい。
又、本発明において、前記付勢領域の中心は、前記着座円の中心に略一致することが好ましい。
更に、本発明において、前記付勢要素はコイルばねで構成され、該コイルばねの長さは、該コイルばねの直径の１倍以上且つ２．５倍以下であることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は本発明によるタッチ信号プローブ１０の断面図である。この図において図２と同一の部材番号のものは、図２と機能および構造共同一であるので詳細な説明は省略する。
図３において、固定要素１１は固定要素スタンド１８を介してハウジング４１の底部４２に固定されている。固定要素１１の腕部１２（図２）は弾性材質であるベリリウムカッパで形成され、その内部には圧電素子１４が埋め込まれている。腕部１２の先端部には陽極酸化皮膜処理され（通称アルマイト）電気絶縁体である硬球支持部１５が埋込み一体化されている。
【００２１】
駆動手段であり接触点変位手段である圧電素子１４には着座後の一定時間の間、図示しない駆動源から変位電圧が印加され、それによって、圧電素子１４はスタイラス２２の軸直交方向に０．５μｍ幅程度の変位を発生する。その結果、硬球１３と円柱体２３間には相対変位が生じ、摩擦の方向が同一方向に揃えられるので、前記６個所の接触点はそれぞれ最も安定した位置に着座する。接触子２４とワークＷの接触後の着座毎に、このように腕部１２には繰り返し変位操作が加えられるため、腕部１２の材質によっては、発熱が大きくなって、着座機構に変形を生じたり、あるいは金属疲労による劣化が生じたりする。そのため、腕部１２は発熱防止および金属疲労による劣化を防止して長寿命化を計るために弾性材質であるベリリウム銅で形成されている。
【００２２】
硬球支持部１５の上端面には２個所の凹部が設けられており、各々の凹部に硬球１３の下部約１／２が埋め込まれている。
図４は、図３における硬球１３部分を図の左方向から見た図である。硬球１３と円柱体２３は電気接点を形成しており、硬球１３への電気接続は弾性舌片１６を押圧して行っている。弾性舌片１６は電気絶縁体である舌片スタンド１７を介してハウジング４１の底部４２へ固定されている。この弾性舌片１６の材質は、ばね用りん青銅である。
【００２３】
一端に接触子２４を備えたスタイラス２２の他端はオスねじが設けられており、可動要素２１の中心部に設けられたメスねじに螺合され、スタイラス２２と可動要素２１は一体に固定されている。図３に示すようにスタイラス２２は固定要素１１の中心部に設けられた丸穴を貫通する位置に取り付けられている。
ハウジング４１の天井部４３と可動要素２１間には押圧コイルばねである付勢要素７１が設けられており、可動要素２１は円柱体２３を介して硬球１３へ押圧されている。
【００２４】
この付勢要素７１は圧縮コイルばねが用いられており、そのコイル直径は３ｍｍ、長さは６．５ｍｍ、付勢力は３００ｇとすることが最適である。すなわち、スタイラス軸を中心とし、円柱体２３と硬球１３が接触する６点を含むキネマティック円の直径は２８ｍｍである。これに対して例えば長さ６．５ｍｍ、付勢力３００ｇ、直径１１ｍｍの圧縮コイルばねを使用した場合は、周方向の戻り誤差が極めて大きくなる。直径６ｍｍでは若干改善されるが戻り精度は不十分であた。直径２ｍｍでは戻り精度は良好であった。これはコイル径が小さいほど、コイルばねの圧縮に伴って発生する回転モーメントが小さいためと考えられる。
【００２５】
また、圧縮コイルばねのコイル径に対する長さの点では、前記のコイル径２ｍｍ、長さ６．５ｍｍの場合では付勢方向が必ずしも安定しない場合があった。
従って、コイルばねを付勢要素７１として用いる場合は、コイル径は、着座点である円柱体２３と硬球１３の接触点で構成されるキネマティック円の５％から２０％の範囲とすることが好ましい。さらに、コイルばねのコイル径に対する長さは、２．５倍までの間とすることが好ましい。一方、この比率が１倍を下回ると、十分な付勢力を確保することが難しくなる。すなわち、付勢力を確保しようとすると、コイルばねの圧縮に伴う回転モーメントも大きくなってしまい、着座精度が低下する。
【００２６】
尚、コイルばねの軸は可動要素２１の重心点に一致させて付勢する。更に、この重心点は前記キネマティック円の中心に一致させることが好ましい。
ハウジング４１の上部にはタッチ信号プローブ１０を三次元測定機のＺ軸スピンドルなどへ固定すると共に電気信号の送受を行うコネクタ４４が設けられている。
図５は付勢要素７１の変形例を示す。
図５（Ａ）は、圧縮コイルばね７２の上端をハウジング４１の天井部４３に固定し、下端にピンポイント皿座金７３を取りつける。ピンポイント皿座金７３の下部には円錐ピンが突出している。可動要素２１の重心位置には円錐形状の凹部が設けられており、前記円錐ピンをこの凹部に当接させて付勢を行う構造である。
【００２７】
図５（Ｂ）は、（Ａ）に対して、ピンポイント皿座金７３の代わりに円錐ロッド７４を圧縮コイルばね７２の下端に固定し、円錐ロッド７４の円錐先端を可動要素２１の凹部に当接して付勢を行う構造である。
図５（Ｃ）は、前記（Ａ）に対してピンポイント皿座金７３を圧縮コイルばね７２の両端に固定し、可動要素２１の重心位置と、その重心位置に対応するハウジング４１の天井部４３とに円錐形状の凹部をそれぞれ設け、それぞれピンポイント皿座金７３の円錐ピンを当接して付勢を行う構造である。
【００２８】
図５（Ｄ）は、前記（Ｂ）に対して円錐ロッド７４を圧縮コイルばね７２の両端に固定し、可動要素２１の重心位置と、その重心位置に対応するハウジング４１の天井部４３とに円錐形状の凹部をそれぞれ設け、それぞれ円錐ロッド７４の円錐先端を当接して付勢を行う構造である。
これらの（Ａ）から（Ｄ）の構造では圧縮コイルばねの圧縮に伴う回転モーメントの影響をほとんど受けないので、コイル径の制約がなくなり、設計の自由度が向上するとともに着座ずれ誤差が小さくなり、着座の戻り精度が向上する。
【００２９】
この実施形態においては次の効果を奏する。
（１）接触子２４とワークＷの接触後の着座毎に、腕部１２には圧電素子１４によって変位操作が加えられるため硬球１３と円柱体２３間に相対変位が生じ、硬球１３と円柱体２３間の摩擦の方向が同一方向に揃えられるため、接触点は最も安定した位置に着座して、着座ずれ誤差が小さくなり、着座の戻り精度が向上する。尚、摩擦の方向を揃えるためには、変位方向は常に一方向である必要はなく、伸長方向と短縮方向を交互に繰り返しても良い。
（２）腕部１２はベリリウム銅で形成されているので、圧電素子１４による変位が与えられても発熱を少なく出来ると共に、金属疲労による劣化を防止して長寿命化を計ることが出来る。
（３）硬球１３を弾性舌片で押圧して電気接続を計ったため、圧電素子１４による硬球１３の変位があっても、電気接続用のリード線断線などの故障を防止することができる。
【００３０】
（４）コイルばねを付勢要素７１として用いる場合、コイル径は、着座点である円柱体２３と硬球１３の接触点で構成されるキネマティック円の５％から２０％の範囲の値とすることによって、コイルばねの圧縮に伴う回転モーメントの影響による着座誤差を避けることができる。
（５）コイルばねを付勢要素７１として用いる場合、コイルばねのコイル径に対する長さは、１から２．５倍までの範囲とすることによって、コイルばねの圧縮に伴う回転モーメントの影響を避けつつ付勢方向の安定性を確保できる。
（６）コイルばねの軸を可動要素２１の重心点に一致させて付勢するので安定した付勢が行える。
【００３１】
（７）更に可動要素２１の重心点をキネマティック円の中心に一致させることによって更に安定した付勢が行える。
（８）付勢要素７１による可動要素２１の付勢点を略ピンポイントとして付勢手段の付勢に伴う回転モーメントの影響を避けることにより付勢要素７１の設計上の自由度を向上させることが出来るとともに着座ずれ誤差が小さくなり、着座の戻り精度が向上する。
（９）着座要素を円柱と球で構成したことにより、高精度加工が容易に行え、着座誤差が小さくなる。
【００３２】
本件発明は以上の実施形態に限らず、様々な変形が可能である。
前記実施形態において、腕部１２および弾性舌片１６の材質は、かならずしもベリリウム銅やばね用りん青銅である必要はなく、ばね用ステンレス、ばね用りん青銅、ばね用洋白、ベリリウム銅などの弾性能力の高いもの（これらのヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２〜１１００００Ｎ／ｍｍ^２の範囲にある）であれば良い。これによって設計の自由度が向上する。
また、付勢要素７１は圧縮コイルばねでなくとも、引っ張りコイルばねでも良く、スタイラスの取付方向と付勢要素の取付方向が同一方向になるため、タッチ信号プローブを小型化することができる。
【００３３】
更に、図５において、付勢要素側に円錐ピンを備えるのに代えて、ハウジング４１の天井部４３あるいは可動要素２１側に円錐ピンを立設し、付勢要素側に設けた円錐凹部を当接して付勢を行っても良い。これによって設計の自由度が向上する。
又、駆動手段は接触点変位手段に限って説明したが、前記可動要素に作用する外力がなくなった後、前記固定要素側における前記接触点と前記可動要素側における前記接触点の接触を保ちつつ一定時間の間のみ、相対振動させる振動手段であっても良い。振動の周波数と振幅を適切に設定すれば、接触点変位手段を用いた場合と同様に接触点の摩擦の方向を管理することが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のタッチ信号プローブの着座機構によれば、ワークとプローブの接触子の接触後の着座において、可動要素の着座ずれ誤差が小さくなり、着座の戻り精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のタッチ信号プローブの構造図である。
【図２】着座機構の構造図である。
【図３】本発明によるタッチ信号プローブ１０の断面図である。
【図４】本発明によるタッチ信号プローブ１０の部分図である。
【図５】本発明による付勢要素７１の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１、２２スタイラス
２、２１可動要素
３、２３円柱体
４、４１ハウジング
５、１１固定要素
６、１３硬球
７、７１付勢要素
８、２４接触子

Claims

固定要素と、スタイラスが取り付けられた可動要素と、前記固定要素上に設けられた固定要素側着座要素と、前記可動要素に設けられ前記固定要素側着座要素と互いに離隔した３箇所のそれぞれにおいて２点一対の接触点で接触する可動要素側着座要素とを有するタッチ信号プローブの着座機構において、
前記スタイラスに外部から力が作用したとき前記固定要素に対する前記可動要素の変位を許容し、かつ、前記スタイラスに作用する外力がなくなったとき付勢力により前記可動要素を静止位置に復帰させる付勢要素と、前記固定要素側着座要素に対して、前記可動要素側着座要素を、相対駆動させる駆動手段と、を有し、
前記固定要素側着座要素は硬球を含み、この硬球への電気的接続は弾性舌片で押圧して行うことを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１に記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記駆動手段は、
前記固定要素側における前記接触点及び前記可動要素側における前記接触点を、相対的に少なくとも所定距離変化させる接触点変位手段であることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１に記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記駆動手段は、前記可動要素に作用する外力がなくなった後、前記固定要素側における前記接触点と前記可動要素側における前記接触点の接触を保ちつつ一定時間の間のみ、相対振動させることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記駆動手段の駆動点を連結して固定する収容部の材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ ^２以上で且つ１１００００Ｎ／ｍｍ ^２以下の範囲にあることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１から請求項４のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記可動要素側着座要素は円柱体であることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記駆動手段の収容部の材質はベリリウム銅であることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１から請求項６のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記弾性舌片の材質のヤング率は、３００００Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ１１００００Ｎ／ｍｍ^２以下の範囲にあることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項１から請求項７のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、
前記付勢要素による前記可動要素への付勢点を含む付勢領域の直径は、前記スタイラスの軸を中心とし、前記接触点を円周上に含んで形成される着座円の直径に対して２０％以下で且つ略ピンポイント以上であることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項８に記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記付勢領域の中心は、前記可動要素の重心位置に略一致することを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項８に記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記付勢領域の中心は、前記着座円の中心に略一致することを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。
請求項８から請求項１０のいずれかに記載のタッチ信号プローブの着座機構において、前記付勢要素はコイルばねで構成され、該コイルばねの長さは、該コイルばねの直径の１倍以上且つ２．５倍以下であることを特徴とするタッチ信号プローブの着座機構。