JP2003520941A - 対象物の構造を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、光導通体の形態をなすプローブ延長部（１４）とプローブ部材（１２）とを有し、座標測定器（２２）に対応配置されるとともに交換保持具（１６）から延出したプローブ（１０）によって、対象物の構造を測定するための装置に係り、任意の種類の対象物を高い精度をもって決定することができるとともにプローブの迅速な交換を行い得、調整も容易な装置を提供すること。 【解決手段】 本発明において、座標測定器は、プローブ部材の光学的特定ないしは該プローブ部材に直接対応配置された少なくとも１つの目標マークの光学的特定のためのセンサと評価ユニットとを含む。該評価ユニットによって該光学センサの位置から、該センサによって直接測定されるプローブ部材ないしは目標マークの位置と座標測定器との座標系に関して該構造が算出される。該センサは少なくとも前記プローブ部材とともに、共働して調整可能なユニットを構成し、該プローブは光学機械的インターフェースを介して調整装置と連結され、該調整装置は交換保持具から延出するとともに回転方向ならびに直接移動方向にも調整可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、光導通体の形態をなすプローブ延長部とプローブ部材とを有し、座
標測定器に対応配置されるとともに交換保持具から延出したプローブによって対
象物の構造を測定するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】

対象物の構造を測定するために、電気機械的に作動するプローブあるいはスタ
イラスの部材を備えた座標測定器が用いられ、これにより、間接的方法で構造物
の位置、すなわち接触部材（球体）の位置が接触ピンを介して伝達される。この
際に摩擦力の作用で生じた接触ピンの変形が測定結果ミスを招く。更に、強い力
の伝達によって、一般に１０mN以上の測定作用力が働く。従って、このようなプ
ローブを用いたシステムの幾何学的形状は、球の直径が０．３mmより大のものに
制限される。そのため、１０分の１ミリ程度の小さい構造物の３次元測定及び容
易に変形しやすい試験片への接触は困難であるとともに場合によっては不可能で
ある。このように、接触ピンないし接触部材の変形による完全には把握されない
測定ミスの影響ならびに、例えば接触する部材が滑ったり止まったりする、いわ
ゆるスティック−スリップ効果による把握されない接触力の影響により、一般に
１μｍ以上の測定誤差が発生する。

【０００３】 この種の機械的に検出する座標測定器は、例えばドイツ特許公開第４３２７２
５０号に開示されている。ここにおいて、機械的検出操作の視覚による制御はモ
ニターによって行われ、これによって接触ヘッドはビデオカメラを介して監視さ
れる。マグネット利用の交換保持具から延出した接触ヘッドは、いわゆる水晶振
動子型プローブとして構成し得、該プローブは測定対象物のワークピース表面に
弾力をもって接触する。ビデオカメラによって、ワークピースに対する球状接触
部材の位置ないしそこで測定すべき孔の位置をモニター上で追跡し、該孔内への
進入時の接触操作を監視して手動で制御することができる。しかしながら実際の
測定は電気機械的に行われるので、上述した問題は依然として残っている。

【０００４】 座標測定器における接触ヘッドの光学的監視は、ドイツ特許公開第３５０２３
８８号にも開示されている。

【０００５】 座標測定器の機械軸線の正確な位置を決定するために、ドイツ特許公開第４３
１２５７９号によれば、少なくとも６つのセンサがスピンドルスリーブないしは
測定ヘッドに取付けられ、これにより関係表面に対する間隔を決定することがで
きる。ここでも対象物の幾何学的形状に対する接触には至らず、古典的な増分的
距離測定システムの代替物としての非接触の方法が開示されている。

【０００６】 米国特許第４，９７２，５９７号には、プローブを備えた座標測定器が示され
ており、そのプローブ延長部はバネによって、所定位置に付勢され保持されてい
る。このプローブ延長部のハウジング内に延出した部分は、互いに離間した光発
生要素を有し、センサ部材によってプローブ延長部の位置を決定し、従って、プ
ローブ延長部の外端におかれた１つの接触部材の位置を決定するように構成され
ている。

【０００７】 ここにおいても、光学センサによる測定が古典的な距離測定システムを電気機
械的プローブによる測定システムに替えている。しかし、ここにおいても、実際
の接触操作は、接触ピンに対する接触部材の力の伝達を経て、バネ部材を介して
センサになされる。従って、上述した曲がりの問題と接触作用力の問題が依然と
して存在するものであり、間接的な方法である。

【０００８】 航空機の部分等の大型の対象物を測定するために、光源ないしは反射用目標マ
ークを備えた接触ピンのプローブが設けられ、その位置を光学的に検出するよう
にした構成は公知である（ドイツ特許公開第３６２９６８９号、同第２６０５７
７２号及びドイツ特許第４００２０４３号）。ここにおいて、プローブ自体は手
動又はロボットにより測定すべき対象物の表面に沿って動かされる構成である。

【０００９】 上記測定方法の場合、接触部材ないしプローブの位置は、三角測量あるいはそ
れに類似の方法で立体的にその位置に合わせられる。従って、測定システム全体
の精度は、センサの精度に直接的に制約を受けるので、比較的簡易な仕様の場合
には、測定領域と正確性との関係において問題が生じる。このため、実際上、よ
り大きな対象物の部分の測定に限られる。

【００１０】 又、顕微鏡によってプローブの位置を追跡することも公知である。ここにおい
ては、透過光の方法で遂行されるので、貫通した孔等の構造物のみが、その直径
に関して測定できるのみである。しかし、顕微鏡における視的判断とプローブ及
び監視光学装置の分離構成のために、複雑な構造物の、例えば複雑な幾何学的形
状の距離や角度などの測定ならびに自動測定が不可能である。これにより、測定
時のトラブル発生率が高くなるので、この種のシステムの適用は勧められない。

【００１１】 本発明は、上記従来装置に見られる諸問題に鑑みて、その改良を図るものであ
り、任意の対象物の構造を、より高い測定精度で決定することができるとともに
問題のない調整操作ができ、かつ、プローブの迅速な交換を可能とした装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】

上記目的を達成するために、本発明においては、座標測定器が、プローブ部材
の光学的特定ないしは該プローブ部材に直接対応配置された少なくとも１つの目
標マークの光学的特定のためのセンサと評価ユニットとを含み、該評価ユニット
によって該光学センサの位置から、該センサによって直接測定されるプローブ部
材ないしは目標マークの位置と座標測定器との座標系に関して該構造が算出され
、該センサは前記プローブとともに、共働して調整可能なユニットを構成し、該
プローブは光学機械的インターフェースを介して交換保持具の調整手段と連結さ
れ、該交換保持具の調整手段は該交換保持具に対して、あるいはそれとともに回
転及び直線移動して調整可能であることを特徴とする装置を提案するものである
。

【００１３】 本発明の教示によれば、構造物の形状をプローブ部材自体ないしはその目標マ
ークの位置から直接測定するために、対象物の接触によるプローブ部材の位置が
光学的に特定ないし決定される。ここにおいて、プローブ部材の偏りは、電子カ
メラを備えた電子的画像処理装置のセンサ領域での画像の移動によって把握され
る。又、該プローブ部材の偏りを、電子的画像処理装置を介して、画像のコント
ラスト機能の評価によって特定ないし決定することも可能である。又、このよう
な偏りを特定ないし決定するのに可能なことは、この偏りを１つの目標マークの
画像の大きな変化から決定することである。そこから、対象物の距離と拡大率と
の間の幾何光学的関係が結果として生じる。更に他の可能性として、プローブ部
材の偏りは、１つの目標マークの見かけ上の大きさの変化によっても把握される
。この変化は、焦点のボケによるコントラスト低下から結果として生じる。ここ
において、該偏りは、基本的に電子カメラの光学軸線に対して垂直に特定ないし
決定される。

【００１４】 プローブ部材ないしはこれに設けられた目標マークを問題なく位置づけること
、ならびにプローブの交換を、望ましくない時間損失を招くことなく行うために
、プローブが光学機械的インターフェースを介して交換保持具の調整装置と連結
される構成が提案される。ここにおいて、該調整装置自体は、少なくとも３つの
直線移動軸線と２つの回転軸線のまわりで回転可能となっている。このようにし
てプローブの迅速な調整が可能となり、測定時間を短縮することができる。又、
光学機械的インターフェースならびに交換保持具のインターフェースによってプ
ローブの交換も極めて短時間で可能となった。

【００１５】 光学機械的インターフェースは、本発明の更なる構成によれば、シリンダを支
持するスリーブを含むことができ、この構成において、プローブないしそのプロ
ーブ延長部はシリンダによって支持される。ここにおいて、プローブないしプロ
ーブ延長部は、少なくとも光学軸線に対して遠い側のシリンダの端面、すなわち
後端面に対して面一に整合するか、あるいは該端面を貫通する位置まで延出する
構成である。

【００１６】 前記端面には、LED（発光ダイオード）等の光源が対向配置され、該光源は交
換保持具に挿着された接続部材を介して電気エネルギー、すなわち電流の供給を
受ける。

【００１７】 交換保持具自体は、支持体と磁気力によって、あるいは機械的力によって磁気
的ないしは機械的に連結される。該支持体は、センサと１つのユニットを構成す
るとともに一緒に揺動可能であり、これによって、本発明においては、対象物の
構造を決定するために、プローブ部材あるいはこれに配属されたターゲットとな
る目標マークの測定をなす直接的位置をとることができる。

【００１８】 本発明の更なる詳細内容、利点及び特徴は、特許請求の範囲の記載のみならず
、以下に、図面を参照して説明する本発明の実施形態からも理解される。

【００１９】

【発明の実施の形態】

図は、座標測定器に設けられたプローブ１０によって対象物の構造の測定のた
めの本発明に係る装置を原理的に示す実施形態を示す。プローブ１０は、スタイ
ラスとも称されプローブ部材１２又はこれに付属して対応配置されたターゲット
をなす目標マークを有する。該目標マークはプローブ部材１２を支持するプロー
ブ延長部１４から延出する。該プローブ延出部１４は、光導通体をなす光導波管
を構成する。プローブ１０はファイバーオプティックス（繊維光学）のプローブ
で構成し得る。プローブ延長部１４はプローブ１０の構成の如何に拘わらず、少
なくとも１つの曲げ弾性を有する部分を有し、曲げに対する柔軟性がある。

【００２０】 プローブ１０は交換保持具１６から延出し、該交換保持具１６は、図１に示す
ホーム位置にあるが、磁気力により支持体２０と磁気的に連結される。支持体２
０は座標測定器２２及びこれに設けられた光学センサと１つのユニットとして調
整可能である。

【００２１】 交換保持具１６は、調整手段をなす調整装置２４を有し、該調整装置２４から
プローブ１０が光学機械的インターフェース２６を介して延出している。この光
学機械的インターフェース２６はシリンダ２８を有し、該シリンダ２８はプロー
ブ延長部１４からその光学軸線３０に対して遠い側の端面３２、すなわち後端面
までの位置を占める。シリンダ２８はスリーブ３４によって支持されるとともに
これに固定されている。前記端面３２に対向して光源３６が配置されている。該
光源３６は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等により構成され、光導通体をなす光導
波管で形成されたプローブ延長部１４に光を通す。この光は、プローブ部材１２
に達し、これによって該プローブ部材１２が座標測定器２２に予め設けられた光
学装置によって、あるいは対応するセンサによって監視される。

【００２２】 調整装置２４は、本発明において、３つの直線移動軸線ｘ，ｙ，ｚ及び２つの
回転軸線のまわりで回転可能であり、本実施形態では、軸線ｘ，ｙのまわりで回
転可能となっている。これによって、プローブ１０は全体として極めて厳密に調
整し得る。光学機械的インターフェース２４によって、何等の支障なくプローブ
を交換あるいは新たに設置し得る利点がある。

【００２３】 交換保持具１６と支持体２０との間の光学機械的インターフェース３８には、
例えば光源３６に電流を供給するために必要な供給配線が配備されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 対象物の構造を測定するための本発明の装置を原理的に示す実施形態の構成図
である。

【図２】 図１に示す装置を部分的に破断して示す構成図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ 【要約の続き】 びに直接移動方向にも調整可能である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導通体の形態をなすプローブ延長部（１４）とプローブ部材（１２）とを有
   し、座標測定器（２２）に対応配置されるとともに交換保持具（１６）から延出
   したプローブ（１０）によって、対象物の構造を測定するための装置であって、
   前記座標測定器（２２）は、プローブ部材（１２）の光学的特定ないしは該プロ
   ーブ部材に直接対応配置された少なくとも１つの目標マークの光学的特定のため
   のセンサと評価ユニットとを含み、該評価ユニットによって該光学センサの位置
   から、該センサによって直接測定されるプローブ部材ないしは目標マークの位置
   と座標測定器との座標系に関して該構造が算出され、該センサは前記プローブと
   ともに、共働して調整可能なユニットを構成し、該プローブは光学機械的インタ
   ーフェース（２８，３４）を介して交換保持具（１６）の調整手段（２４）と連
   結され、該交換保持具の調整手段は該交換保持具に対して、あるいはそれととも
   に回転及び直線的移動により調整可能であることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 前記調整手段（２４）は、３つの直線移動軸線及び少なくとも２つの回転軸線
   （ｘ，ｙ，ｚ）のまわりで調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の装
   置。
3. 【請求項３】 前記光学機械的インターフェースは、シリンダ（２８）と、このシリンダを支
   持するスリーブ（３４）とを含み、前記プローブ延長部（１４）は該シリンダに
   よって支持されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記プローブ延長部（１４）は、該シリンダ（２８）の後端面（３２）と面一
   に整合した位置あるいは該後端面を貫通した位置まで延出してなることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれか１に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記シリンダ（２８）の後端面（３２）に対向してLED等の光源（３６）が配
   置されてなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記シリンダ（２８）は該スリーブ（３４）に固定可能であることを特徴とす
   る請求項１ないし５のいずれか１に記載の装置。
7. 【請求項７】 前記交換保持具（１６）は、前記センサと１つのユニットを構成する支持体（
   ２０）と、磁気力によって、ないしは機械的力によって連結されてなることを特
   徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載の装置。
8. 【請求項８】 前記交換保持具（１６）は、支持体（２０）と形状嵌合ないしは摩擦係合によ
   り機械的に連結されてなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記
   載の装置。