JP5260849B2 - タッチプローブ - Google Patents
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Description
たとえば、三次元測定機では、タッチプローブと載物台に載置された被測定物とを三次元方向へ相対移動させながら接触させ、両者が接触した瞬間の各送り軸方向の座標値を読み取る。このため、三次元測定機の測定精度を向上するためには、タッチプローブの検出精度を高める必要がある。
また、接触部が被測定物と接触されると、ダイヤフラムを弾性変形させながら、スタイラスが変位するので、接触の衝撃によって部品を破損する可能性が低い。そして、スタイラスの変位を検出することで、接触部と被測定物との接触を検出することができるので、スタイラスに圧電素子を設ける必要がなく、スタイラスを長く径小にすることができる。
このような構成によれば、弾性部材から形成された2枚のダイヤフラムは、外周部が、スタイラスの軸方向に厚みを持つスペーサリングを介して互いに結合され、中心部が、互いに結合されているので、2枚のダイヤフラムの中心部に互いにプリロードがかかり、2枚のダイヤフラムの中心部の剛性が高められ、スタイラスの姿勢復元性が向上する。したがって、スタイラス支持手段が、スタイラスを確実に支持することができる。
このような構成によれば、ダイヤフラムは、スタイラスを支持する中心部と、プローブ本体に固定された外周部と、中心部と外周部との間に放射状に設けられ中心部と外周部とを連結する複数のリムと、を備えるので、剛性の高い中心部がしっかりとスタイラスを支持し、剛性の低いリムが弾性変形してスタイラスの変位を許容することができる。
また、ダイヤフラムの径を小さくすれば、タッチプローブを大幅に小型化することが可能である。
このような構成によれば、ダイヤフラムのリムが、ダイヤフラムの周方向または径方向に折り返し構造を有するので、リムの剛性が低くなり、弱い力でリムが弾性変形を起こすことができる。これにより、小さな接触力でもスタイラスの変位が起こりやすくなり、接触部の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
このような構成によれば、検出手段は、スタイラスの接触部と逆側の端部に設けられ法線方向が互いに垂直な三つの面を有する電極と三つの静電容量式変位センサと、を備えるので、接触部の被測定物に対する接触による、スタイラスの所定の1方向への変位を検出することができる。また、検出手段が、ノイズが小さく感度の高い静電容量式変位センサを備えるので、接触部の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
本発明によれば、検出手段は、スタイラスの接触部と逆側の端部に設けられ法線方向が互いに垂直な三つの鏡面と、三つの鏡面に光線を照射する三つの光学式変位センサと、を備えるので、接触部の被測定物に対する接触による、スタイラスの所定の1方向への変位を検出することができる。また、検出手段が、感度の高い光学式変位センサを備えるので、接触部の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
[第1実施形態]
図1に、第1実施形態のタッチプローブ1の斜視図を、図2に、第1実施形態のタッチプローブ1のスタイラス支持手段11近傍の断面図を示す。
図1に示すように、タッチプローブ1は、円筒形のプローブ本体10と、プローブ本体10に設けられたスタイラス支持手段11と、スタイラス支持手段11に略重心位置122を支持された棒状のスタイラス12と、スタイラス12の変位を検出する検出手段13と、を備える。
ダイヤフラム111は、図1および図2に示すように、スタイラス12を支持する中心部113と、プローブ本体10に固定された外周部114と、中心部113と外周部114との間に放射状に設けられ中心部113と外周部114とを連結する複数のリム115と、を備える。ダイヤフラム111は、円形の金属箔の径方向の中間部に、エッチング等によって、金属箔の外周部114と中心部113とをつなぐリム115を形成したものである。
補強板112は、ダイヤフラム111の中心部113に設けられ、ダイヤフラム111の中心部113の剛性を補強し、中心部113とともにスタイラス12を支持する樹脂製の円盤状部材である。
なお、スタイラス12は、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成される。
電極131は、金属箔を折り曲げて成形した、直角三角形状の断面を有する矩形状の中空部材である。図3において、電極131の側面131A、側面131B、上面131Cは、その法線方向が互いに垂直に交わるように構成され、電極131の下面は開口部となっている。電極131の他の側面131Dは、図4に示すように、スタイラス12の接触部121と逆側の端部に設けられた電極支持溝123に係合されている。
なお、図1に示すように、側面131A、側面131B、上面131Cの法線方向は、測定器の載物台等によって、タッチプローブ1が被測定物に対して相対移動されるX、Y、Z方向とそれぞれ等しくなるように構成されている。
測定器の載物台等によって、タッチプローブ1を被測定物に対してX、Y、Z方向のいずれか一方向に相対移動させ、接触部121を、被測定物に接触させる。
タッチプローブ1と被測定物とが、X方向に接触された場合、接触部121が、X方向に押されるので、スタイラス12が、略重心位置122を中心にX方向に傾けられる。すると、電極131の側面131Aが、静電容量式変位センサ132Aから離れる方向に移動される。この時、静電容量式変位センサ132Aが、側面131Aとの距離の変化を検出し、測定機に接触部121と被測定物とが接触したことを通知する。
タッチプローブ1と被測定物とが、Z方向に接触された場合、接触部121が、Z方向に押されるので、スタイラス12が、軸方向上側に移動される。すると、電極131の上面131Cが、静電容量式変位センサ132Cに近づく方向に移動される。この時、静電容量式変位センサ132Cが、上面131Cとの距離の変化を検出し、測定機に接触部121と被測定物とが接触したことを通知する。
接触部121が被測定物から離れると、スタイラス12およびダイヤフラム111は元の位置および形状にもどる。
(1) スタイラス12は、略重心位置122をダイヤフラム111の中心部113に支持されるので、スタイラス12の変位は、軸方向への移動および略重心位置122を中心にした1方向への傾きのいずれか一つに限定される。したがって、検出誤差の原因となる複合的な変位が生じることがなく、検出手段13が、接触部121の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
(3)スタイラス12の接触部121と逆側の端部に設けられた検出手段13が、接触部121の被測定物に対する接触を検出するように構成したので、スタイラスに設けた圧電素子により接触部の被測定物に対する接触を検出するタッチプローブと異なり、圧電素子を設けるスペースを確保する必要がなく、スタイラス12を、長く径小にすることができる。これにより、太く短いタッチプローブでは測定できなかった微細な測定箇所も測定することができ、多様な被測定物の形状に広く対応することができる。
(4)スタイラス12が、タングステンカーバイトの粉末をコバルト中に分散させて焼結したものから形成され、超硬と呼ばれる特質を有するので、スタイラス12が長く径小であっても、スタイラス12の変形、破損が起こりにくい。
(6)ダイヤフラム111の径を小さくすれば、タッチプローブ1を大幅に小型化することが可能である。
(7)ダイヤフラム111の中心部113に設けられた補強板112が、中心部113の剛性を補強し、中心部113とともにスタイラス12を支持するので、スタイラス12の支持を確実なものとすることができる。また、樹脂製の補強板112は、軽量なので、スタイラス12の変位を妨げることなく、ダイヤフラム111の中心部113を補強することができる。
(8)検出手段13が、ノイズが小さく感度の高い静電容量式変位センサ132A、132B、132Cを備えるので、接触部121の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
本発明の第2実施形態に係るタッチプローブ1のスタイラス支持手段11の、分解図を図5に、断面図を図6に示す。
ここにおいて、本実施形態は、スタイラス支持手段11の構成が、前述の第1実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。
2枚のダイヤフラム111A、111Bは、外周部114が、スタイラス12の軸方向に厚みを持つスペーサリング116を介して互いに結合され、中心部113が、互いに結合されるとともにスタイラス12を支持する。ダイヤフラム111Aの中心部113の上面およびダイヤフラム111Bの中心部113の下面には、補強板112が設けられている。
なお、2枚のダイヤフラム111A、111Bおよび補強板112の形状および材質は、第1実施形態と同様である。ただし、ダイヤフラム111Aのリム115およびダイヤフラム111Bのリム115の中心部113近傍は、互いに近接する方向に湾曲している。
(9)2枚のダイヤフラム111A、111Bの、外周部114が、スタイラス12の軸方向に厚みを持つスペーサリング116を介して互いに結合され、中心部113が、互いに結合されているので、図6に示すように、2枚のダイヤフラム111A、111Bの中心部113に互いにプリロードがかかり、2枚のダイヤフラム111A、111Bの中心部113の剛性が高められ、スタイラス12の姿勢復元性が向上する。したがって、スタイラス支持手段11が、スタイラス12をより確実に支持することができる。また、接触部121が被測定物から離れたときに、2枚のダイヤフラム111A、111Bが、元の形状にもどりやすい。
図7に、本発明の第3実施形態に係るタッチプローブ1の検出手段13の拡大斜視図を、図8に、検出手段13を上から見た端面図を示す。
ここにおいて、本実施形態は、検出手段13の構成が、前述の第1実施形態と異なる。その他の構成および作用は同一であるから、同一符号を付してそれらの説明を省略する。
三つの光学式変位センサ133A、133B、133Cは、三つの鏡面12A、12B、12Cに光線を照射し、三つの鏡面12A、12B、12Cに反射された反射光を受光し、受光量の変化を検出する。
測定器の載物台等によって、タッチプローブ1を被測定物に対してX、Y、Z方向のいずれか一方向に相対移動させ、接触部121を、被測定物に接触させる。
タッチプローブ1と被測定物とが、X方向に接触された場合、接触部121が、X方向に押されるので、スタイラス12が、略重心位置122を中心にX方向に傾けられる。すると、鏡面12Aが、光学式変位センサ133Aから離れる方向に移動される。この時、光学式変位センサ133Aが、鏡面12Aからの反射光の受光位置および受光量の変化を検出し、測定機に接触部121と被測定物とが接触したことを通知する。
タッチプローブ1と被測定物とが、Z方向に接触された場合、接触部121が、Z方向に押されるので、スタイラス12が、軸方向上側に移動される。すると、鏡面12Cが、光学式変位センサ133Cに近づく方向に移動される。この時、光学式変位センサ133Cが、鏡面12Cからの反射光の受光位置および受光量の変化を検出し、測定機に接触部121と被測定物とが接触したことを通知する。
(10)検出手段13が、感度の高い光学式変位センサ133A、133B、133Cを備えるので、接触部121の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
(i)ダイヤフラム111は、スタイラス12の略重心位置122を支持する剛性と、スタイラス12の軸方向への移動または略重心位置122を中心にした1方向への傾きを許容する弾性を有するものであればよく、その形状および材質は前記各実施形態に限定されない。
たとえば、図9に示すように、リム115が、ダイヤフラム111の径方向に折り返し構造を備えていてもよく(A)、また、リム115が、ダイヤフラム111の周方向に折り返し構造を備えていてもよい(B)。このようなダイヤフラム111においては、リム115の剛性が低くなり、弱い力でダイヤフラム111が弾性変形を起こすことができる。これにより、スタイラス12の変位が起こりやすくなり、接触部121の被測定物に対する接触を高精度に検出することができる。
たとえば、他の金属や樹脂等でもよく、接触部121の被測定物に対する接触により変形や破損を起こさない程度の剛性を有する材質からなるものであれば、問題なく利用することができる。
また、補強板112は、高い剛性を有し、ダイヤフラム111の中心部113を補強することができるものであれば良く、樹脂製のものに限定されない。たとえば、補強板112は、金属やセラミックス等で形成されてもよい。
10 プローブ本体
11 スタイラス支持手段
12 スタイラス
12A、12B、12C 鏡面
13 検出手段
111 ダイヤフラム
113 中心部
114 外周部
115 リム
116 スペーサリング
121 接触部
131 電極
132A、132B、132C 静電容量式変位センサ
133A、133B、133C 光学式変位センサ
Claims (5)
- プローブ本体と、
前記プローブ本体に設けられたスタイラス支持手段と、
前記スタイラス支持手段に略重心位置を支持された棒状のスタイラスと、
前記スタイラスの変位を検出する検出手段と、を備え、
前記スタイラス支持手段は、弾性部材から形成され、外周部を前記プローブ本体に固定され中心部に前記スタイラスを支持する2枚のダイヤフラムを有し、
前記スタイラスは、前記ダイヤフラムに垂直に支持され、一端に被測定物と接触される接触部を有し、
前記2枚のダイヤフラムは、弾性部材から形成され、外周部が、前記スタイラスの軸方向に厚みを持つスペーサリングを介して互いに結合され、中心部近傍が互いに近接する方向に湾曲し、当該中心部が互いに結合され、当該中心部にプリロードが係る状態で前記スタイラスを支持する
ことを特徴とするタッチプローブ。 - 請求項1に記載のタッチプローブにおいて、
前記ダイヤフラムは、
前記スタイラスを支持する中心部と、
前記プローブ本体に固定された外周部と、
前記中心部と前記外周部との間に放射状に設けられ前記中心部と前記外周部とを連結する複数のリムと、を備えることを特徴とするタッチプローブ。 - 請求項2に記載のタッチプローブにおいて、
前記リムは、前記ダイヤフラムの周方向または径方向への折り返し構造を介して前記ダイヤフラムの前記中心部と前記外周部とを連結することを特徴とするタッチプローブ。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のタッチプローブにおいて、
前記検出手段は、
前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられ法線方向が互いに垂直な三つの面を有する電極と、
前記電極の三つの面に対向して設けられ前記電極の三つの面との距離の変化を検出する三つの静電容量式変位センサと、を備えることを特徴とするタッチプローブ。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のタッチプローブにおいて、
前記検出手段は、
前記スタイラスの前記接触部と逆側の端部に設けられ法線方向が互いに垂直な三つの鏡面と、
前記三つの鏡面に対向して設けられ前記三つの鏡面に光線を照射する三つの光学式変位センサと、を備えることを特徴とするタッチプローブ。
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