JP3954622B2 - トリガ付探触子 - Google Patents

Description

本発明は、座標点を測定するための探触子に関する。
詳細には、Ｂｏｙｓの結合原理に基づくトリガ付探触子に関するものである。
該探触子は、三次元における座標点を測定するための機械の付属品として用いられることに適している。

トリガ付探触子は、電気機械式の測定用部品であり、これに限定されるわけではないが、機械部品の製造ラインにおいて、例えば、製造用機械の調整または品質管理のために幅広く用いられている。
該探触子は、寸法の精確な点検、もしくは表面の均一性の管理または製造ロットの均一性の管理に役立つものである。

トリガ付探触子は、通常、測定機械の可動アームに固定され、該機械の位置は、例えば、容量性、誘導性、磁気抵抗性または光学性である測定システムによって精確に決定される。
測定機械のアームは、探触子の探触体としての接触ロッドが測定すべき部品または表面と接触するまで所定の軌道にしたがって、空間内を移動させられる。
接触の際、偏向力が接触ロッドにかかり、それによって該接触ロッドをその初期の静止位置から動かす。
電気回路は、このとき閉止または開放され、信号は、一般的には、例えば、光信号の形式で使用者に送信される一方で、測定機械のソフトウェアに送信され、それによって該ソフトウェアは、測定システムのデータを用いて所与の座標系における接触点の座標を決定する。
続いて、ソフトウェアによって二つの測定地点間の距離を計算し、ある場合には一連の測定点を用いて、二次元または三次元で測定対象を表示する。

もう一つの応用例では、トリガ付探触子は、表面の均一性の管理または製造ロットの均一性の管理に役立つ。
探触子は非可動部品に固定され、表面または一連の部品は、探触体としての接触ロッドに軽く触れるように探触子の前を次々と通る。
表面の均一性がとれていない場合、または部品が規則的な寸法を呈していない場合、接触ロッドにある力がかかって該接触ロッドをその静止位置から動かし、それにより探触子の電気回路によって発せられる信号を変調することになる。

トリガ付探触子の主要部品は、通常、固定機構、探触体としての接触ロッド、および電気回路であり、該電気回路は、静止位置に対する接触ロッドの動きを検知するのに役立つ。

固定機構は、固定用部品に対して固定されている。
該固定用部品は、一般的に探触子の外装に内蔵されており、例えば、測定機械の可動アームに探触子を固定することを可能にする。

探触体としての接触ロッドは、機械式の部品であり、測定すべき表面または部品と接触するようになっている。
接触ロッドは、一般的に、寸法を定められたルビー製または硬石製の接触ボールを棒状体の先端に具備している。
該接触ボールは、直線ロッドまたは湾曲ロッドの端部に固定され、該ロッドは伸縮性部材によって固定機構に対して静止位置に維持されている。
この静止位置は、所定のものであり、かつ復帰可能なものである。
接触ロッドは、固定機構に対して一つまたは複数の自由度を有している。
測定すべき表面と接触した際、偏向力が接触ロッドにかかり、該接触ロッドは固定機構に対する一つまたは複数の自由度にしたがって静止位置から動く。
力が接触ロッドにかからなくなると、該接触ロッドは静止位置に復帰する。

したがって、固定機構に対する接触ロッドの位置決めの精度と復帰可能性が、測定の精確さにおいて主要な役割を果たしていることが容易に理解されるものである。

従来的には、トリガ付探触子は、接触ロッドと固定機構との間の平衡結合を含んでいる。
この結合は、独立した六つの接触点を具備していることで、固定機構に対する接触ロッドの相対的な位置を精確に決定するようになっている。
一般的に、六つの接触点は、互いに１２０°で方向付けられた、超硬合金製の三つのピンによって製作され、各ピンは探触子の固定機構と一体化している二つのボールの間に押し当てられている。
ボールは、電気的に接続されることで直列に並んだ六つのスイッチを具備する回路を形成し、測定すべき部品と接触ロッドの接触を知らせるようになっている。

しかしながら、この配置は、横方向の力に対する接触ロッドの感度が一定ではなく、外力の方向にしたがって変化するという不都合を有しており、特に、接触ロッドの長手方向中心軸に対して直交する平面に沿って方向付けられた横力の場合においてそうである。

横力に対するこのタイプの探触子の感度は、したがって均一ではなく、三つのピンの方向に対応する三つのローブを有している。
この感度の変動は、トリガの反復可能性、延いては測定の質に悪影響を及ぼしうるものである。

欧州特許第０３６０８５３号明細書では、電気回路が、かけられた力を直接感知できる歪みゲージに置き換えられている探触子を提案することで、これらの問題を改善しようと試みている。
この装置は対称応答を有している。
しかしながら、歪みゲージを使用することは、機械式のトリガ付探触子よりも製作するのがより複雑で高くつくものである。
欧州特許第０３６０８５３号明細書

本発明の一つの目的は、先行技術の不都合のない探触子を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、単純で信頼性があり、横力に対する一定の感度を有する探触子を提供することである。

これらの目的は、独立請求項の対象となっている探触子によって達成されるものであり、特に、固定機構と、伸縮性部材によって前記固定機構に対して復帰可能な静止位置に維持されている探触体としての接触ロッドであって、偏向力に応じて前記静止位置から動くことができ、さらに前記力がかからなくなると前記静止位置に復帰することができる前記接触ロッドと、前記接触ロッドと一体化した複数の可動位置決部品と、六つの接触点を定めるための、前記固定機構と一体化し、かつ前記可動位置決部品と組み合うことができる、複数の固定位置決部品とを含む探触子によって達成される。
該探触子は、前記六つの接触点が、前記接触ロッドの長手方向中心軸を中心に配分されることで、前記接触ロッドの長手方向中心軸に対して直交する平面における偏向力に対して基本的に均一な感度を得られるようになっていることを特徴とする。

本発明は、横力に対するトリガの感度が、接触点の位置を適切に選択することで均一化できるという観察から生まれたものである。
特に、接触点を６０°の回転による六角対称状に配置することが可能である。
このような配置では、横力に対する探触子の感度は、実質的に一定である。
これに反して、既知のトリガにおける接触点の配分は、１２０°で回転対称となっている。

すなわち、本発明の課題を解決するための手段は、次のとおりである。

第１に、
固定機構（１）と、
弦巻バネなどの伸縮性部材（２１）によって、固定機構に対して復帰可能な静止位置に維持される、接触ロッドとして表される探触体（１２）とを有し、
探触体の上端側には、探触体の一部となるプレート（１３）が、探触体に一体化して取り付けられ、
該探触体（１２）が、偏向力に応じて静止位置から動くことが可能であり、偏向力がかからなくなると静止位置に戻る構造の探触子であって、
探触体（１２）のプレート（１３）と一体化した複数の可動位置決部品（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、２３１、２３２、２３３）を有すると共に、
固定機構（１）と一体化した複数の固定位置決部品（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を有し、
該複数の固定位置決部品が、複数の可動位置決部品と、六つの接触点を画定するように組み合わされていると共に、
六つの接触点が、探触体（１２）の長手方向中心軸を中心に配分され、
探触体（１２）の長手方向中心軸に対して、直交する平面における偏向力に対して、均一な感度が得られるようになっていることを特徴とする、探触子。
第２に、
連続する二つの接触点の間にある角度差が、探触体（１２）の長手方向中心軸を中心にとったとき、連続する接触点のそれぞれのペアについて、同一であることを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第３に、
複数の導電体（９０）を含み、
該導電体が、固定位置決部品と可動位置決部品のペアを接続することで電気回路を形成し、
該電気回路の抵抗が、探触体（１２）が静止位置から動く際に変化することを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第４に、
接触点が、探触体（１２）の長手方向中心軸を中心に心出しされた円周または閉じた曲線に沿って連続することを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第５に、
角度差が、基本的に６０°であることを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第６に、
角度差が、基本的に５０°〜７０°であることを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第７に、
角度差が、基本的に４０°〜８０°であることを特徴とする、上記第１に記載の探触子。
第８に、
円周または閉じた曲線に沿って、固定位置決部品（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）の一部が、可動位置決部品（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、２３１、２３２、２３３）の前に位置し、固定位置決部品（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）の一部が、可動位置決部品の後に位置することを特徴とする、上記第４に記載の探触子
第９に、
円周または閉じた曲線に沿って、固定位置決部品が、交互になっている配置にしたがって可動位置決部品の前に位置したり、後に位置したりすることを特徴とする、上記第８に記載の探触子。
第１０に、
可動位置決部品が、六つのピン（１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６）を含み、
固定位置決部品が、固定機構（１）と一体化している六つのボール（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を含み、
静止位置において、ピンのそれぞれが、ボールのうちの一つに接触していることを特徴とする、上記第１〜上記第９のいずれか一つに記載の探触子。
第１１に、
ピンが、探触体（１２）の長手方向中心軸に対して、放射状に配置されることを特徴とする、上記第１０に記載の探触子。
第１２に、
ピンが、三方向に沿って、互いに１２０°で角度的に隔てられた平行なペアで配置されることを特徴とする、上記第１０に記載の探触子。
第１３に、
ピンが、１２０°の回転対称の配置において、外側に向かって集束するペアで配置されることを特徴とする、上記第１０に記載の探触子。
第１４に、
ピンが、１２０°の回転対称の配置において、三つのペアで配置され、
各ペアが、二つのピンを含み、
該ピンのそれぞれが、ボールのうちの一つに接触していることを特徴とする、上記第１０に記載の探触子。
第１５に、
各ペアのピンが、同一角度にしたがってボールのうちの一つにそれぞれ接触していることを特徴とする、上記第１４に記載の探触子。
第１６に、
可動位置決部品が、六つのボール（３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６）を含み、
固定位置決部品が、固定機構（１）と一体化している六つのピン（３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６）を含み、
静止位置において、ピンのそれぞれが、ボールのうちの一つに接触していることを特徴とする、上記第１〜上記第１５のいずれか一つに記載の探触子。
第１７に、
可動位置決部品が、三つのボード（２３１、２３２、２３３）を含み、
固定位置決部品が、固定機構（１）と一体化している六つのボール（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６）を含み、
静止位置において、ボードのそれぞれが、ボールのうちの二つに接触していることを特徴とする、上記第１〜上記第１６のいずれか一つに記載の探触子。

基本のタイプのトリガ付探触子を示す図である。 図１の探触子の再位置決システムの概略図である。 本発明による探触子の再位置決システムの概略図である。 本発明による探触子の再位置決システムの変形例を示す図である。 本発明による探触子の再位置決システムの、後に行われる変形例を示す図である。 本発明による探触子の再位置決システムの、後に行われる変形例を示す図である。 本発明の後に行われる実施態様を平面で示す図である。 本発明の後に行われる実施態様を一部の断面で示す図である。

符号の説明

１ 固定機構
１２ 接触ロッド
１３ プレート
１５ ボール
２１ バネ
３１〜３３ ピン
４１〜４６ ボール
８０ 円周
９０ 導電体
９１〜９２ 端子
１３１〜１３６ ピン
１４１〜１４６ ボール
３３１〜３３６ ピン
３４１〜３４６ ボール

本発明は、例示としてあげられ、添付の図面によって図示された説明を読むことでよりよく理解されるものである。

図１および図２は、基本のタイプのトリガ付探触子を示している。
探知用の探触体としての接触ロッド１２は、直径が正確に定められ測定すべき部品と接触するボール１５を、先端に備えている。
接触ロッド１２は、上端側でプレート１３と一体化している。
該プレート１３は、ピン３１、ピン３２、ピン３３によって所定位置に維持されている。
ピン３１、ピン３２、ピン３３は、バネ２１の動作のもとで、ボール４１、ボール４２、ボール４３、ボール４４、ボール４５、ボール４６に、各々押し当てられている。

接触ロッドの静止位置は、Ｂｏｙｓの結合原理にしたがって、ピン３１、ピン３２、ピン３３と、ボール４１、ボール４２、ボール４３、ボール４４、ボール４５、ボール４６との間の六つの接触点によって、精確かつ復帰可能な仕方で決定されている。
ボール１５が、静止位置から動くと、六つのうち少なくとも一つの接触点が断絶するので、このことによる電気回路の抵抗の変化によって、接触の検知が可能になる。

接触が検知されるためには、バネ２１によってかけられているプレート１３に対する力の垂直方向の成分が、該バネの押付力を越えなければならない。
横力の場合、この検知閾値が一定ではなく、力の方向に左右されることが容易に理解される。
検知に必要とされる力は、図２の方向ｄ２における接触に対する方が、方向ｄ１に対するよりも強くなるものである。

方向ｄ２に沿った力の場合、接触ロッド１２の上下移動の軸は、中心から距離ｒをあけて位置し、方向ｄ１に沿って方向付けられた偏向力の場合、上下移動は距離ｂで起こる。

摩擦力を考えないとき、接触ロッド１２を動かすきっかけになるために必要とされる最小の力と最大の力の間の理論的な比は、したがって、ｒ／ｂ＝１／ｃｏｓ６０°＝２によって与えられる。

横力に対する基本タイプの探触子の感度は、したがって均一ではなく、三つのピンの方向に対応する三つのローブを有している。

図３は、本発明の第一の実施態様によるトリガ付探触子を示している。
図３の装置でも、図１、図２に示す装置と同様に、探触体としての接触ロッド１２は、上端にプレート１３が一体化されて取り付けられている。
すなわち、接触ロッド１２の上端側には、接触ロッド１２の一部となるプレート１３が、接触ロッド１２に一体化して取り付けられている。
該プレート１３の周縁部には、六つの放射状のピン１３１、ピン１３２、ピン１３３、ピン１３４、ピン１３５、ピン１３６が配置されている。
静止位置において、ピン１３１、ピン１３２、ピン１３３、ピン１３４、ピン１３５、ピン１３６は、探触子の固定機構１と一体化しているボール１４１、ボール１４２、ボール１４３、ボール１４４、ボール１４５、ボール１４６に、接触している。

図３のトリガ付探触子において、接触ロッド１２の静止位置を画定している六つの接触点が接触ロッド１２の長手方向中心軸を中心に配分されていることで、側方の偏向力の方向に対する感度の変動をなくすようになっていることが確認できる。
より対称的なこの配置によって、図１および図２に示されたトリガと比べてより均一な応答を行うことが可能になるのであり、該トリガにおいては、接触点は正三角形の頂点でペアになるようにグループ化されている。
横力に対する本発明の探触子の感度は基本的に均一であり、かけられた力の方向に左右されないか、またはほとんど左右されない。

導電体９０は、ピンとボールを接続することで電気接続による回路を実現している。
該電気回路は、通常は閉止していて、ピンの任意の一つが対応するボールから離れるとすぐに開放する。
例えば、図３に概略的に示されているように、ピン１３１−１３２、ピン１３３−１３４およびピン１３５−１３６、ならびにボール１４２−１４３およびボール１４４−１４５を接続することができる。
測定すべき部品との接触は、ボール１４１とボール１４６に接続された端子９１、端子９２での抵抗の変動によって検知される。
しかしながら、その他の配置も可能である。

導電体９０は、溶接または接着された導線によって、もしくは導電性の塗装層または接着層を形成することによって、またはあらゆる他の既知の方法によって製作することができる。
ボールとピンをそれらの関係する支持体から絶縁することは、例えば、陽極酸化法によって得ることができる。

好適には、接触点は、接触ロッド１２の長手方向中心軸を中心に心出しされた円周８０に沿って配置される。
連続する接触点のそれぞれのペアの間にある角度差αは、基本的に６０°に等しく、その結果、接触点は、接触ロッドの長手方向中心軸を中心に心出しされた六角形の頂点に位置することになる。
しかしながら、探触子の応答の対称性が冒されなければ、この配置をわずかに変えることも可能である。
したがって、異なった曲線に沿って接触点を配置すること、または、接触点の間にある角度差をわずかに修正することが考えられる。

図３の配置において、接触ロッド１２の上下移動の距離は、あらゆる横力について常にａに等しくなっている。
当然のことであるが、摩擦力により、この理想的な比に正確に達することが妨げられる。

隣接する接触点の各ペアの間にある角度差は、好ましくは正確に６０°に等しく、またはどのような場合にもこの値に近似しており、例えば、４０°と８０°の間、好ましくは５０°と７０°の間である。

ボール１４１〜１４６は、ピン１３１〜１３６に対して時計回りに円周８０を進んだときに、三つのボール１４２、ボール１４４、ボール１４６が、それぞれ、ピン１３２、ピン１３４、ピン１３６の前に位置する。
さらに、同じ方向において、ボール１４１、ボール１４３、ボール１４５が、ピン１３１、ピン１３３、ピン１３５の後に位置するように配置されている。
この交互の配置によって、安定し正確な静止位置を画定できるようになる。
しかしながら、ボール１４１〜１４６の一部が、ピン１３１〜１３６の前に位置し、ボール１４１〜１４６の他方の一部が、ピン１３１〜１３６の後に位置するその他の配置も、本発明の範囲において可能である。

選択的に、ピンおよびボールは、固定機構１と接触ロッド１２のプレート１３との間に六つの点接触部を画定することに適したその他の位置決め要素に置き換えることができる。
例えば、ピンは傾斜した平面に置き換えることができる。

図３の探触子のピン１３１〜１３６は、接触ロッド１２の長手方向中心軸に対して基本的に放射状に配置されている。
図４に示された本発明の後に行われる実施態様では、ピン１３１〜１３６は、三方向に沿って、基本的には互いに１２０°で角度的に隔てられた平行なペアで配置されている。

図５に示された本発明のもう一つの実施態様では、プレート１３は、その周縁部に、基本的に１２０°で配された三つのボード２３１、ボード２３２、ボード２３３を担持している。
各ボードは、固定機構のボール１４１〜１４６のうちの二つに接触している。
ボード２３１〜２３３とボール１４１〜１４６との間にある六つの接触点が、接触ロッド１２の長手方向中心軸を中心に配分されることで、横力に対する均一な感度が得られるようになっている。
好適には、接触点は、接触ロッド１２の長手方向中心軸に対して心出しされた六角形の頂点に配置される。

図６に示された本発明の変形実施例では、ピン１３１〜１３６は、基本的に１２０°の回転対称の配置において、プレート１３の外側に向かって集束するピンの三つのペアで配されている。
ピン１３１〜１３６とボール１４１〜１４６との間にある六つの接触点が、接触ロッド１２の長手方向中心軸を中心に配分されることで、横力に対する均一な感度が得られるようになっている。
該接触点は、好ましくは、接触ロッド１２の長手方向中心軸に対して心出しされた六角形の頂点に配置される。

図３、図４および図６に示された変形実施例は、ボール１４１〜１４６とのそれぞれの接触点を中心とするピン１３１〜１３６の回転によって区別される。
これらの例を、本発明がボールに対するピンの方向付けにおけるこれらの特定の角度に限定されるという意味で捉えてはならない。
本発明は、その他の多くの配置も含んでいる。
該配置は、ピン１３１〜１３６とボール１４１〜１４６との間におけるどのような角度によっても特徴付けられるものである。

また、本発明の範囲において、図７や図８に示されているように、ピンとボールの位置を反転させ、ボール３４１〜３４６をプレート１３に、ピン３３１〜３３６を固定機構１に配置することも可能である。

Claims (14)

1. 固定機構と、
   伸縮性部材によって固定機構に対して復帰可能な静止位置に維持される探触体とを有し、
   該探触体が、偏向力に応じて静止位置から動くことが可能であり、偏向力がかからなくなると静止位置に戻る構造の探触子であって、
   探触体と一体化した複数の可動位置決部品を有すると共に、
   固定機構と一体化した複数の固定位置決部品を有し、
   該複数の固定位置決部品が、複数の可動位置決部品と、六つの接触点を画定するように組み合わされていると共に、
   六つの接触点が、探触体の長手方向中心軸を中心に配分されており、
   可動位置決部品が、六つのピンを含み、
   固定位置決部品が、固定機構と一体化している六つのボールを含み、
   静止位置において、ピンのそれぞれが、ボールのうちの一つに接触していることを特徴とする、探触子。
2. 連続する二つの接触点の間にある角度差が、探触体の長手方向中心軸を中心にとったとき、連続する接触点のそれぞれのペアについて同一であることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
3. 複数の導電体を含み、
   該導電体が、固定位置決部品と可動位置決部品のペアを接続することで電気回路を形成し、
   該電気回路の抵抗が、探触体が静止位置から動く際に変化することを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
4. 接触点が、探触体の長手方向中心軸を中心に心出しされた円周または閉じた曲線に沿って連続することを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
5. 角度差が、６０°であることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
6. 角度差が、５０°〜７０°であることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
7. 角度差が、４０°〜８０°であることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
8. 円周または閉じた曲線に沿って、複数の固定位置決部品の一部が、可動位置決部品の前に位置し、複数の固定位置決部品の一部が、可動位置決部品の後に位置することを特徴とする、請求項４に記載の探触子。
9. 円周または閉じた曲線に沿って、固定位置決部品が、交互になっている配置にしたがって可動位置決部品の前に位置したり、後に位置したりすることを特徴とする、請求項８に記載の探触子。
10. ピンが、探触体の長手方向中心軸に対して、放射状に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
11. ピンが、三方向に沿って、互いに１２０°で角度的に隔てられた平行なペアで配置されることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
12. ピンが、１２０°の回転対称の配置において、外側に向かって集束するペアで配置されることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
13. ピンが、１２０°の回転対称の配置において、三つのペアで配置され、
    各ペアが、二つのピンを含み、
    該ピンのそれぞれが、ボールのうちの一つに接触していることを特徴とする、請求項１に記載の探触子。
14. 各ペアのピンが、同一角度にしたがってボールのうちの一つにそれぞれ接触していることを特徴とする、請求項１３に記載の探触子。

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