JP4444109B2 - タッチプローブ - Google Patents

Description

本発明は、タッチプローブに関する。

プローブ内のシートに取り付けられるスタイラスを有し、シート内で付勢されるタッチプローブは、知られている。そのスタイラスは、プローブと表面との相対的運動により、表面に接触する場合、そのスタイラスが、付勢作用に抗してそのシートからそれ、この運動が機械に通される信号を発生させる。その機械は、プローブ/表面の瞬間位置を記録できる。

その表面は、寸法が測定される被加工物に属するか、被加工物を形作るために使用される工具に属する場合があり、従って、工具磨耗を考慮し、マシンサイクルを作るために調節できる。

正確な測定をするためにスタイラスは、中立位置と呼ばれるプローブ内の再現可能な位置に設置される必要がある。これは、キネマティックシート（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｓｅａｔ）にスタイラスを支持することにより実現可能とされる。

そのキネマティックシートの一例は、米国特許第４１５３９９８号において説明されており、そのスタイラスは、スタイラスの軸線の回りに１２０°間隔で３つの半径方向延在するアームにより支持されている。アームは、プローブに固定される狭い間隔の一対のボールによりV字状の切欠きに支持されている。スプリングは、そのアームをV字状の切欠きに付勢している。そのボールおよびアームは、スタイラスが振れる場合、遮断される回路の一部を形成する。代替の測定方法においては、振れを検出するためにキネマティックシート自体を使用する代わりに、ストレインゲージが中立位置からの移動を検出するように配置されてもよい。これは、米国特許第４４６２１６２号において説明されている。

米国特許第４１５３９９８号 米国特許第４４６２１６２号

そのプローブスタイラスは、例えば、おそらくスタイラスの表面への衝突している間、突然、振れかつ放される場合、プローブの手動の運動、プローブに対するスタイラスの運動は、スタイラスがスプリングによりもとの取り付け位置に付勢される場合、キネマティックシートの衝撃荷重を引き起こす。これは、測定用回路の壊れやすい部品を損傷する。

本発明によれば、第１の位置決め用要素を収容するプローブ本体と、スタイラスホルダーであって、プローブ本体内のスタイラスホルダーを位置決めするように第１の位置決め要素と協働する第２の位置決め用要素を有する前記スタイラスホルダーと、第１の位置決め用要素と第２の位置決め用要素とを接触するように付勢する付勢物と、を含むタッチプローブにおいて、要素が、プローブ本体とスタイラスホルダーとの間で減衰運動するように設けられることを特徴とする。

好ましくは、第１の位置決め用要素は、それぞれ、Ｖ形のシートをもたらす一対のボールを含み、第２の位置決め用要素は、それぞれ、Ｖ形のシート上にスタイラスを支持するローラを含む。

好ましい実施例においては、要素は、第１の位置決め用要素と第２の位置決め要素との間の相対的運動を遅くする。

代替的に、要素（５０）は、プローブ本体とスタイラスホルダーとの間の相対的運動により作られるエネルギーを吸収する。一例は、ヒステリシスを示す材料、例えば、ラバー
で作られる要素である。
本発明は、一例として、添付図面を参照して説明されるだろう。図中

図１および図３は、半径方向内向きに向けられる環状フランジ１４を有し、好ましくは、鋼鉄で作られたアウターハウジング１２を有するプローブ１０を示す。ハウジング１２内には、スタイラス（不図示）が接続され得るスタイラスホルダー１６が取り付けられている。

スタイラスホルダー１６は、スタイラスの接続、および、相対運動がプローブと被加工物または工具との間で起こる場合、被加工物または工具の接触のために開口２０を通じてハウジング１２から突出する。

６個の凹部２２がフランジ１４に形成され、開口２０から離れる方向に向けて開口している。それらの凹部は、二つ一組となって配置され、その対は、プローブの縦軸線１８Ａの回りに１２０°間隔である。凹部は、ボール２３を受け止めるようになっており、いずれかの簡便な形状でもよく、例えば、円錐形、または、三角錐であり、ボールがその凹部に受け止められる場合、ボールは安定した位置でとどまり、運動学的に支持される。各対におけるボールの隙間は、スタイラスホルダー１６により保持されるローラ２４により埋められ、ローラ２４のための安定した座を形成するというものである。

ローラ２４は、スタイラスホルダーにおいて軸線１８Ａの回りに１２０°間隔で孔２６に嵌め合わされている。その複数の孔は、最初にその長さ方向に沿って割れ得るプラスチック製のインサート２８と同心上にあり、ローラがインサート２８に押し込まれる。

複数のボールは、硬質プラスチックで作られた底の抜けた円筒形のプラグ３０により各凹部に位置決めされかつ固定されている。環状表面において開口端で、そのプラグは、組み立てられたプローブにおいてボール上に嵌め合わされる凹部３２を適当な間隔で有している。また、その開口端では、プラグ３０は、スタイラスホルダーが傾き、そのスタイラスの端部に作用する力により垂直方向に移動されるとき、ローラ２４のガイドとして作用する３つの細長いスロット３４を備えて形成されている。

そのスタイラスホルダーは、力がスタイラスに加えられていない場合、軸線１８Aの方向に力を生じさせ、ローラをボール３２相互間に形成されるシートに付勢するスプリング３６により中立位置に付勢されている。

スタイラスが傾斜または垂直運動により振れる場合、プローブが信号を作り出すことを可能とするためにボールは、各対における双方のボールに接触するローラにより完成される回路を形成するように電気的に直列に接続される。

ボールは、堅い導電性材料、例えば、鋼鉄、またはタングステンカーバイトで作られている。従って、ボールは、凹部２２で接触するハウジング１２と絶縁されなければならない。これは、二つの層からなる薄い柔軟な導電性要素４０（図２参照）を使用して達成される。第１の層４２は、絶縁材料で形成され、第２の層４４は、一部環状であり、導電性材料で作られている。

そのプローブが組み立てられる場合、その環状の薄い要素は、その絶縁面が凹部２２の導電性領域に接触した状態で位置決めされている。二つのコンタクトピン４６は、そのボール、ローラおよび薄い柔軟な要素により完成される回路の両端に、その末端で接触し、
外部のプローブからその回路に接続可能である。ボールは、フランジ１４における凹部２２、および、そのプラグにおける凹部３２に受け止められている。ボールは、薄い柔軟な要素４０によりフランジと電気的に絶縁されている。薄い柔軟な要素４０は、運動学的に位置決めされたボールにより変形される。薄い柔軟な要素における様々な実施例は、欧州特許第０９６７４５５号において説明されている。

図１を参照するに、プラグ３０は、スプリング３６の内側に位置し下方に延在する中央部３１を有している。中央部３１は、プラスチックのインサート３５の一端が摺動可能に収容される凹部３３を有している。インサート３５の他端は、ハウジングの開口２０から突出しているスタイラスホルダーの末端でスタイラスホルダー１６の凹部１７内に配されている。インサート３５の各端は、収容される凹部と実質的に同一の直径を有するフランジを有している。

スタイラスホルダー１６の凹部１７は、インサート３５がスタイラスの凹部１７から外れることを防止するリップ１９を有している。

スタイラスの振れにおいて、スタイラスホルダー１６は、スプリング３６に抗して移動し、インサート３５をプラグ３０の凹部３３に押し込む（および、スタイラスの凹部１７へより少ない程度に）。その力が取り除かれる場合、スプリング３６は、スタイラスホルダー１６をその中立位置に戻させる。インサート３５は、スプリング３６の作用に抵抗し、その中立位置へのスタイラスホルダーの戻りを遅くし、従ってこの場合、薄い柔軟な要素４０に損傷をきさないようにする。

インサート３５の各端のフランジは、そのインサートの止めと一体に形成され、または、例えば、そのインサートと接着されるプラスチックのスカートで形成され得る。そのインサートは、スタイラスの振れの間、凹部内で摺動するのに十分柔軟であるが、その中立位置へのスタイラスホルダーの戻りの間、そのフランジが過剰に変形することなく、即ち、破れることがないほど十分に堅く、かつ強靭であるポリプロピレンのようないずれかの適当なプラスチック材料で作られてもよい。そのフランジは、各凹部１７、３３におけるシールを形成する。そのシールが完璧ならば、流体が各フランジの端部の回りから流れ出ることができず、従って、スプリング３６がその中立位置へそのスタイラスホルダーを戻らせることを妨げる。そのフランジは、それらの外周の回りに流出部分を設けるように形成されてもよく、または、代替的に、１個以上の流出孔３７が設けられてもよい。流出孔の使用は、流体流れがより正確に制御されるとき、好ましい。

代替的なインサート５０を有するプローブ１０を示す図３を参照する。インサート５０は、ヒステリシスを示す材料、この場合、フルオロカーボンラバーで作られる。大きな側鎖を有するラバーは、小さな側鎖を有するラバーに比してより大きな損失を示す。インサート５０は、一端でプラグ３０の凹部３３内に部分的に収容される。他端には、スタイラスホルダーが中立位置にある場合、スタイラスホルダー１６に接触するニップル５２が形成されている。これは、そのスタイラスが作動される場合、キネマティックロケーション（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎ）が実質的にインサート５０の存在により影響されず、インサート５０が最大のエネルギー吸収効果を有することを確実にする。

スタイラス（不図示）の振れによって、そのスタイラスホルダーは、傾き、および／または、垂直方向（Ｚ）に移動するだろう。インサート５０は、この移動により圧縮され、そのエネルギーを吸収する。インサート５０はラバーで作られ、ヒステリシスを示し、即ち、ラバーの圧縮が、ラバーのその後の緩和において解放されるよりもより大きなエネルギーを使用する（その差は、主に熱に変換される）。この効果は、ラバー内に充填材を使用することにより高められ得る。適当な充填材の１つは、そのラバーの圧縮により摩擦がそれぞれのカーボン粉末粒子間に生じるので残留圧縮エネルギーのいくらかを熱に変換するカーボン粉末である。カーボンの適量は、１００当たり１０部と１２０部（ｐｐｈ）との間であり、好ましくは、２０と１００（ｐｐｈ）との間である。ラバーインサート５０の圧縮が、さもなければ、スプリング３６を圧縮するであろうエネルギーを吸収する。これは、スプリングがその中立位置にスタイラスホルダー１６を戻す場合、運動学的エネルギーがより少ないことを意味する。インサート５０がそのシステムから除去される高い割合のエネルギーを熱に変換するとき（損失が多いとき）、インサートはスタイラスホルダーを中立位置に戻すのに小さい割合のエネルギーを与えるにすぎない。従って、ボール２３および柔軟な要素４０におけるローラ２４の衝撃が低減される。あるラバー材料は、それらが遅い速度で圧縮から回復し、このエネルギーの解放が、たとえあったとしても、スプリングを緩める効果に最小に寄与し、そのスタイラスホルダーを中立位置に戻すことができるという特に有益を有する。そのようなラバーの一例は、ソルボセイン（Ｓｏｒｂｏｔｈａｎｅ）である。これは、プローブ要素における正常損耗、通常の摩滅を低減するばかりでなく、物体内のスタイラスの衝突のような異常な状況における損傷を防止する。複数の充填剤または他の材料がその要素の減衰を改善するようにラバーに添加されてもよい。

振れの間にインサートにより生じる熱は、キネマティックロケーション、プローブ、またはスタイラスにおけるいかなる熱的なひずみを引き起こすのに十分ではない。オイルのようなヒートシンクは、そのような可能性を最小限とするためにプローブキャビティ内で使用可能とされる。これは、空気よりも高い粘性のあるオイルは、減衰作用を助けるという付加された利点を有するだろう。

インサート５０は、ゴム製のボールに取って代わり得る。プラグ３０の下方に延在する部分の形状は、正確にボールを取り付けるために変更されることが必要とされるだろう。

代替的に、そのインサートは、かなりのヒステリシスを示さない圧縮性材料で製造可能とされる。エネルギーは、カーボンのような充填材を使用することにより、システム（そのインサートは、損失が多く作られる）から除去される。適量のカーボンは、圧縮性材料において１０と１２０（ｐｐｈ）との間であり、好ましくは、２０と１００（ｐｐｈ）との間である。

インサート、即ち、ボール５０は、常にスタイラスホルダーに接触させる必要がない。これは、キネマティックロケーションが、そのダンパーにより決して影響されないことを確実にするだろう。特定のプローブについて通常の振れの大きさに対応したインサートとスタイラスホルダーとの間の隙間があるかもしれない。それで、減衰効果が例外的に使用されるにすぎないだろう。勿論、これは、圧縮されるまでエネルギーを吸収できないので特定のインサートの有効度を低減させるだろう。また、プローブの通常の使用中、そこから外れることを防止するためにインサートがしっかりと凹部に固定されることが要されるだろう。

多くの様々な材料がヒステリシス効果を示し、吸収されるエネルギーの割合が、使用される材料ならびに添加剤と使用条件との相関関係であることを当業者は理解するだろう。それで、インサートは、知られた材料の特性だけの使用ではなく、特定の状況に適合させて作られる。

図４は、ハウジング５２を有する代替的なプローブ５０の断面図を示す。スタイラスホルダー５４は、Ｖ形の溝５７をそれぞれ有する３つのアーム５６によりプローブ内に運動学的に配置されている。各Ｖ形の溝５７は、中央のボス６２のアウターリングに取り付けられる３つのボール５８の１つを部分的に収容する。従って、スタイラスホルダー５４は、ボール５８上にその３つのアーム５６を介して支持される。

薄肉素材の３つのウェブ６４は、アウターリング６０を中央のボス６２に連結する。中央のボス６２は、プローブハウジング５２に動かないように固定されている。ストレインゲージ６６が各ウェブ６４に配されている。アーム５６のＶ形の溝は、プラスチックのプラグ７０によりプローブハウジング５２内の所定位置に保持されるコイルスプリング６８によりボール５８に接触するように付勢されている。減衰用インサート７６は、第１の端部でプラスチックのプラグ７０の下方に延在する部分７２における凹部７４と、他端でスタイラスホルダー５４における凹部７８とによりスプリング６８内に保持されている。

スタイラスが振れる場合、スタイラスホルダー５４は、スプリング６８の作用に抗してプローブハウジング５２内を移動する。アウターリング６０における荷重のいくらかの変化が、薄い素材のウェブ６４のたわみを引き起すとき、その移動は、ストレインゲージ６６により検出される。その素材のウェブ６４は、それぞれ、ボール５８に隣接して配され従って、ストレインゲージを傾斜移動に対し敏感にさせる。ストレインゲージ６６からの信号は、ストレインゲージに電気的接続をもたらす二つのコンタクトピン７９を介してマシンコントローラ（ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ），または、マシンインターフェース（ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に中継される。

できる限り感度よく、従って、できる限り正確にプローブを作るためにその素材のウェブ６４は、できる限り薄くかつ細いものである。しかしながら、これは、ウェブ６４の断面積が減少するので中央のボス６２に対するアウターリング６０の移動が増大されるにつれてストレインゲージの損傷に至る可能性がある。損傷の確率は、高速測定が実行されるか、あるいは、そのプローブが表面に衝突する場合、増大される。

ストレインゲージの損傷の確率を低下させるためにダンパーが、その中立位置、即ち、運動学的に位置決めされる位置へのスタイラスホルダー５４の復帰運動を遅らせるように
プラスチックのインサート７６の形式で使用される。そのインサートは、即ち、スタイラスの振れがありスプリング６８が圧縮される場合、各凹部７４、７８内でフランジの緩やかな運動を可能とする各端部で三角形状のフランジを有している。しかしながら、振れの力が除去され、中立位置に向かうスプリングの付勢が復帰する場合、インサート７６の変位が、この復帰運動に抵抗し、スプリングによる中立位置への速度および復帰力の減少をもたらす。それで、大きなスタイラス（およびスタイラスホルダー）の振れ、または強い衝撃がある場合、スタイラスホルダーを中立位置へ復帰させることに関するスプリングの効率が低減されることとなる。

図５は、本発明に従うインサート９０の断面図である。インサート９０の第１の端部９２は、プローブ（不図示）内に収容され使用されるプラスチックのプラグ９０における下方に延在する部分８２内の凹部８４に摺動可能に収容されている。インサート９０のこの第１の端部９２は、凹部８４に対してインサートの下方への運動に抵抗するフランジを有している。インサート９０の第２の端部は、ボール９４である。ボール９４は、スタイラスホルダー８８におけるボールジョイント用空洞９６内に収容され、従って、その空洞に対してボールの回転運動を可能とする。

上述したように、他方のものに対する一方のものの運動学的位置については、キネマティックジョイントの二つの要素相互間の摩擦が最小限に抑えられることが好ましい。これは、プローブの軸線に沿って作用しない力が最小限に抑えられることを意味する。インサートの一端にボールジョイントを使用することにより、プローブの軸線に対し直交する平面内におけるプローブに対しスタイラスホルダーの円滑な動きを可能とする。これは、キネマティックジョイントの再現性に関し手助けするばかりでなく、そのプローブの空洞内のスタイラスホルダーの傾斜のような軸外移動に対しより少ない抵抗をもたらすことにより、プローブの感度を維持することを助ける。

プローブ内に使用されるインサートの形式は、プローブおよびスタイラスの形式の機能であり、それらの特性である。スタイラスは、Ｘ平面およびＹ平面において主に接触されるように設計される、例えば、正方形、またはディスク状のスタイラスがある。この場合、プローブ内のＺ方向に必要とされるオーバートラベル（ｏｖｅｒｔｒａｖｅｌ）量は、スタイラスの振れが通常、Ｘ平面、Ｙ平面内なので制限される。この状況において、エネルギー吸収用インサート、あるいは、取付位置に対する復帰運動を制御するインサートが利用可能とされる。

オーバートラベルは、プローブの内側の部分に接触する前にスタイラスホルダーがＺ方向に移動し得るプローブ内の空間である。高速スキャニングの状況で星形またはボール形のようなある方向に振れる可能性があるスタイラスについては、損傷からプローブを保護するためにより大きなオーバートラベルが必要とされる。これは、オーバートラベルが減少したプローブよりも記録された振れとプローブの停止との間により多くの時間を与える。これらの状況においては、復帰運動を制御するインサートが、より適切である。

この中で説明されるキネマティックロケーティング用要素は、好ましい例である。他の構成が使用されてもよい。複数の例が、「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」（Ｈ Ｂｒａｄｄｉｃｋ Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ Ｌｔｄ，Ｌｏｎｄｏｎ １９６０）において、挙げられている。

説明されたそのプローブは、スキャニングまたは複製のための物体の測定（座標測定機 ＣＭＭ）、または、機械加工の精度、または、物体を機械加工する場合工具磨耗の原因となる工具設定を検査するための測定（ＣＭＭまたは工作機械）において、また、ロボットとともに使用されてもよい。従って、プローブは、物体に対して取り付けられ移動可能とされるスピンドル、または、物体に対して取り付けられ固定される機械のベッドであってもよく、また、機械（例えば旋盤上）の可動範囲内に取り外し可能に配置されるアームに取り付けられてもよい。

本発明に従うプローブの断面図である。 組み立てられたプローブにおける図１のII-II線に沿った断面図である。 本発明に従う代替的なインサートを有するプローブの断面図である。 本発明に従う代替的なプローブの断面図である。 本発明に従うインサートの断面図である。

Claims (13)

1. 第１の位置決め用要素（２３、５８）を収容するプローブ本体（１２、５２）と、
   スタイラスホルダー（１６、５４）であって、前記プローブ本体内の該スタイラスホルダーを位置決めするように前記第１の位置決め要素と協働する第２の位置決め用要素（２４、５７）を有する前記スタイラスホルダーと、
   前記スタイラスホルダーが、前記スタイラスにおける振れの力がない状態で前記プローブ本体に対し中立位置に付勢されるように、前記第１の位置決め用要素と前記第２の位置決め用要素とを接触するように付勢する付勢物（３６、６８、８６）と、を含むタッチプローブ（１０、５０）において、
   要素（３５、５０、７６、９０）が、前記プローブ本体と前記スタイラスホルダーとの間で減衰運動するように設けられ、それにより、中立位置へのスタイラスホルダーの戻りの速度および力を低減させることを特徴とするタッチプローブ。
2. 前記要素（３５、５０、７６、９０）は、前記第１の位置決め用要素と第２の位置決め要素との間の相対的運動を遅くする請求項１記載のタッチプローブ。
3. 前記要素（３５、５０、７６、９０）は、前記付勢物の付勢に抵抗することにより前記相対的運動を遅くする請求項２記載のタッチプローブ。
4. 前記要素（３５、５０、７６、９０）は、前記プローブヘッドの一方および前記スタイラスホルダーに対して摺動可能に取り付けられる請求項１乃至３のいずれかに記載のタッチプローブ。
5. 前記要素（３５、７６）は、前記プローブヘッドおよびスタイラスホルダー双方に対して摺動可能に取り付けられる請求項４記載のタッチプローブ。
6. 前記要素（９０）は、前記プローブヘッドの一方およびスタイラスホルダーに対して回転可能に取り付けられる請求項４記載のタッチプローブ。
7. 前記要素（５０）は、前記プローブ本体とスタイラスホルダーとの間の相対的運動により作られるエネルギーを吸収する請求項１記載のタッチプローブ。
8. 前記要素は、ヒステリシスを示す物質からなり、該要素は、前記プローブ本体に対する前記スタイラスホルダーの移動により圧縮され、それにより、エネルギーを吸収する請求項７記載のタッチプローブ。
9. 前記要素は、ゴムからなる請求項７または請求項８記載のタッチプローブ。
10. 前記要素は、カーボン粉末からなる請求項７乃至請求項９のうちのいずれかに記載のタッチプローブ。
11. 前記要素は、１００当たり１０部と１２０部（ｐｐｈ）との間のカーボン粉末からなる請求項１０記載のタッチプローブ。
12. 前記第１の位置決め用要素は、それぞれ、Ｖ形のシートを形成する一対のボール（２３）
    を含み、前記第２の位置決め用要素は、それぞれ、該Ｖ形のシート上に前記スタイラスホルダーを支持するローラ（２４）を含む請求項１乃至１１のいずれかに記載のタッチプローブ。
13. 前記第１の位置決め用要素は、それぞれ、ボール（５８）を含み、前記第２の位置決め用要素は、それぞれ、部分的にボールを収容し該ボール上に支持されるＶ形の溝（５７）を含む請求項１乃至１１のいずれかに記載のタッチプローブ。

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