JPH03504278A - ワークピースの表面をスキャンする方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ワークピースの表面をスキャンする方法とその装置技術分野 本発明はワークピース表面をスキャンする方法とその装置に関する。

背景技術 スキャン方法は、例えば、米国特許３．８２４．８９３号に開示されている方法 が知られている。これは、メカニカルプローブがスピンドルに取り付けられ、こ のスピンドルをワークピース表面のＸ、Ｙ方向のいずれかの方向に直線を描くよ うに移動させるか、あるいは、ＸＹ平面上を曲線を描（ように移動させ、そして 、線を描き終るごとに、この線と離れた位置にスピンドルによりプローブを移動 させ、以後、他の線と平行になるように繰り返しスピンドルを移動させるもので ある。

この方法は、スキャン領域を広くとるため、装置全体を前後に移動させるように したので、比較的遅かった。また、装置を加速したり減速したりするため、加速 や減速をしている間、装置が曲がり、測定誤差を生じる。

このような測定分野では、表面を高速度で連続的にスキャンでき、異なる型の安 価なプローブと交換できる機械やスキャン装置の要求がある。

発明の開示 本発明は、３次元の基準フレーム構造内の支持材に取り付けられた表面検知装置 を用いて、ワークピースの表面をスキャンする方法に適用される。

本発明の方法は、表面検知装置が通過する径路に沿ってワークピース表面と支持 材とを相対的に移動させるステップと、 瞬間径路方向に送られる表面検知装置を相対的に移動させ、表面検知装置とワー クピース表面とが予め定めた空間的関係をもつようにするステップとによりなる 。

また、本発明の方法は、基準位置に対して基準フレーム構造内の多数の測定位置 における支持材の位置を測定するステップと、 支持材が前記測定位置のいずれかに位置するときの、表面検知装置の支持材に対 する瞬間的位置を測定するステップと、 スキャンされる表面上の多数の点での基準フレーム構造に対する位置を測定する ため、前記測定結果を用いるステップと 支持材は測定装置またはマシンツール上に取り付けた走査ヘッドでも良い。

本発明は手動か、あるいはコンピュータの制御により自動的に実施するようにし ても良い。

次に、表面検知装置とスキャンされる表面との間の予め定めた空間的関係を説明 する。

非接触プローブ、例えば、光学的プローブの形態をとる表面検知装置では、予め 定めた空間的な関係は、その動作範囲内のワークピース表面から離すという関係 である。

接触スタイラスのみの形態をとるか、あるいは、接触スタイラスを含むメカニカ ルプローブ、例えば、トリガープローブ、アナログプローブの形態をとる表面検 知装置では、予め定めた空間的関係はスキャンされる表面と接触させるという関 係である。

ワークピース、支持材、またはワークピースと支持材を移動させることにより、 支持材とワークピース表面を相対的に移動させることができる。

本発明の望ましい形態におけるワークピースをスキャンする方法は、 モータにより駆動される走査ヘッドを装置に搭載するステップと、 座標測定装置を前記走査ヘッドに搭載するステップ座標測定装置を駆動して前記 走査ヘッドとスキャンされるワークピース表面を相対的に移動させるステップと 、 前記走査ヘッドをワークピース表面に対して相対的に移動させ、表面検知装置を 前記相対的な移動の瞬間的方向に送るステップと、 前記座標測定装置とワークピース表面を予め定めた関係をもたせるステップと によりなる。

このようにすることにより、スキャンヘッド（その慣性は座標測定装置のそれに 対して小さい）により表面検知装置をスキャンさせている間、特別なスキャン動 作が行われるので、その装置は最も効果的に動作することができる。例えば、装 置は比較的高速であるが、定速でワークピース上の線に沿って移動することがで き、同時に、スキャンヘッドを動作させて、装置の移動方向に送られる表面検知 装置を振動させることができる。

この方法により、より高速でスキャンすることができる。また、従来のスキャン 動作では、装置が方向を変えたり加速されるとき、その装置本体にかかる慣性負 荷により誤差を生じるが、その誤差を除去することができる。

他の方法では、装置は定速ではないが比較的低速でワークピース表面上を移動す ることができる。また、モータにより駆動されるスキャンヘッドにより表面検知 装置をワークピース表面上を送り、ワークピース表面上の複数の点で測定するこ とができる。この方法では、装置の加速に起因する誤差を減少させることができ 、一方、非常に小さい慣性負荷を有するスキャンヘッドを高速で動作させて高速 度でデータを収集することができる。

従来の座標測定装置はスキャンヘッドの基準位置に対する３次元座標フレーム構 造内の瞬間的な位置を測定するトランスデユーサを備えていた。モータ駆動され るスキャンヘッドはそれ自体に対する表面検知装置の瞬間的位置を測定すること ができるトランスデユーサを備えた方がよい。トランスデユーサからスキャンヘ ッドおよび装置のデータを収集することにより、スキャンされるワークピース表 面の多数の点の基準フレーム構造に対する位置を測定することができる。

本発明の方法を実施した実施態様は、表面検知装置をモータ駆動されるヘッドに 搭載するステップと、ヘッドをスピンドルに搭載するステップと、スピンドルを スキャンされる表面上を定速で移動させるステップと、同時に、ヘッドを動作さ せて表面検知装置をワークピース表面上をスピンドルの動作方向に横送りするス テップと、それぞれの動作方向の多数の位置において基準位置に対するスキャン されるワークピース表面上の点の位置を測定するステップとによりなる。

スキャンヘッドを動作させて、２つの直交する方向のうちスピンドルが移動する 方向に送られる表面検知装置を、振動させながら回転させるかあるいは並進させ ることができ、渦巻運動、螺旋運動、あるいはその他の円運動をさせることがで きる。このような動作により、中ぐりの内表面や円盤の外表面を、本発明の装置 または方法を用いてスキャンすることができる。そして、基準座標フレーム構造 内のこのような表面上の多数の点の座標を示す信号が出力される。

本発明の他の実施態様は軸線を有するワークピースの円筒状の内表面または外表 面をスキャンする例である。この方法は、モータ駆動ヘッド上に表面検知装置を 搭載するステップと、装置のスピンドル上にヘッドを搭載するステップと、少な くとも軸線に平行な１つの成分を有する線に沿ってスピンドルによりヘッドを駆 動するステップと、同時に、ヘッドを動作させて、２つの直交する方向のうちの 前記軸線と交差する方向に振動される表面検知装置を、ワークピース表面とその 表面上の一連の離散点で予め定めた関係をもたせるステップとによりなる。

本発明の方法を、上述した実施例のいずれかに従って自動的に実施した場合、支 持材およびヘッドをコンピュータの制御により移動させるのが望ましい。このよ うなコンピュータはその他の制御を行うことができ、単独でデータ収集手段と、 収集されたデータからスキャンされたワークピース表面の必要な情報を決定する 手段とによりなる。

表面検知装置はスタイラスを含むか、スタイラスのみのメカニカルプローブ、例 えば、タッチトリガプローブまたはアナログプローブであっても良い。また、表 面検知装置は非接触プローブ、例えば、光学的プローブであっても良い。いずれ のプローブも制御が異なり、データ収集装置により読み取られる。種々の測定信 号が出力されている。例えば、座標フレーム構造内のプローブスタイラスの位置 を正確に測定するために必要な信号が、一部は装置スケールから、一部はヘッド から、一部は使用されるプローブの種類にもよるがプローブ自体から出力されて いる。

表面検知装置がスタイラスを含むか、あるいはスタイラスのみのメカニカルプロ ーブである場合は、そのスタイラスをワークピース表面と接触させるため、モー タ駆動されるヘッドを第２の軸の回りに回転させる必要がある。

メカニカルプローブはアナログプローブ、例えば、米国特許４．１５８，９１９ または国際出願ＰＣＴ／ＧＢ８９１０１１９７に記載のアナログプローブか、あ るいはタッチトリガプローブ、例えば、英国特許１，４４５，９７７記載のタッ チトリガプローブであっても良い。アナログプローブを使用する場合は、スキャ ン動作中、スキャンされるワークピース表面にスタイラスを絶えず接触させなけ ればならない。そして、制御手段によりデータ収集手段を制御して、マシンスケ ールとヘッド内のトランスデユーサからの信号を読み取るとともに、プローブか らの信号、すなわち、プローブに対するスタイラスの位置を示す信号を読み取る 。

タッチトリガプローブを使用する場合、ワークピース表面はワークピース表面に 入射される光ビームにより検知され、ワークピース表面の位置は三角測量法か、 あるいは１合焦検知法により測定される。どちらの場合も、プローブは同一の予 め定めた時間間隔か、あるいは位置間隔で、マシンスケースとスキャンヘッド内 の位置検知トランスデユーサを協働させて読み取らなければならない信号を出力 する。

本発明に係るスキャン方法の誤差源は、スキャン動作中、表面検知装置の送りが モータ駆動されるヘッドからスピンドルに伝達されることにある。

装置の剛性が特別高くない場合は、このような送りにより装置内に振動を生じ、 情報の精度が低下する。

本発明の他の実施例は、ワークピース表面をスキャンするに際し、使用されるス キャンヘッドの例で、軸を規制する手段と、 ヘッドに搭載され、前記軸に対して移動する表面検知装置と、 表面検知装置を前記軸に対して移動させる駆動手段と、 表面検知装置の移動によりヘッド内に生じた反力が装置に作用するのを減少させ る手段と によりなる。

ヘッド内の駆動手段は所定の入力電流に対して一定のトルクを生じるモータであ ることが望ましい。

減少させる手段は回転加速され、駆動手段の可動部により生じるトルクと同一で かつ逆向きの反力を生じるヘッド本体であることが望ましい。

駆動手段がモータである場合、回転によりモータの反力とバランスをとるため、 すなわち、実質的に反力が装置に伝達されないようにするため、モータのトルク に対して反力を生じるモータの常時静止部を搭載することができる。

ヘッドは実質的に摩擦を生じないように動作するためエヤーベヤリングを含むこ とが望ましい。エアーベヤリングにより、ヘッドの速度が速くなるとともに、動 作時の摩擦力が最小になり、スピンドルに伝達される力が最小になる。

本発明の他の実施例は、ワークピース表面をスキャンする際に使用されるスキャ ンヘッドの例で、固定部および可動部と、 可動部を支持し、可動部の移動軸を規制するエヤーベヤリングと、 可動部に搭載された表面検知装置と、 前記軸に対して可動部を移動させ、スキャンされるワークピース表面に対して表 面検知装置を位置させる駆動手段と によりなる。

しかし、ヘッドは他の種類のベヤリングとともに動作させることができる。ベヤ リングの摩擦が問題になるところでは、スタイラスはモータのトルクとベヤリン グの摩擦が加わって曲がる。この曲がりによりワークピース表面を測定する際に 誤差を生じる。これは許容できることではないが。

メカニカルスタイラスを表面検知装置として用いるか、あるいは表面検知装置の 一部として用いる場合は、歪ゲージを含むことは有効なことである。歪ゲージに よりスタイラスの曲がりを測定でき、得られる情報によりワークピース表面の測 定を補正することができる。

また、ワークピースをスキャンする際に用いられる本発明に係るスキャンヘッド は、 装置を結合するためのベースと、 第１の軸の回りに回転させるためベース上に支持した第１の回転部と、 第１の軸と直交する第２の軸の回りに回転させるため第１の回転部に支持した第 ２の回転部と、第２の回転部に固定した表面検知装置と、第１および第２の回転 部を駆動する駆動手段とによりなる。

ここで、駆動手段は位置制御モータおよび／またはバイアスモータとして動作で きる定トルクモータであり、定トルクモータにより、表面検知装置とスキャンさ れているワークピース表面との予め定めた関係が維持され、表面検知装置がワー クピース表面上で振動される。

図面の簡単な説明 第１図は本発明のスキャン装置を含む座標測定装置を示す立面図、 第２図は第１図示ｎ−ｎ線断面図、 第３図はスキャン動作を説明する説明図、第４図は第１図示装置の制御システム を示すブロック図、 第５図は第４図示コントロールメカニズムの構成を示すブロック図、 第６図はスキャンヘッドの断面を示す図、第７図は本発明のスキャン動作を説明 する説明図、 第８図は第７図の平面図、 第９図は第２図示搭載装置を示す図、 第１Ｏ図は第１の実施例のスキャン動作を説明する説明図、 第１１図は第１の実施例のモータＭｌ、Ｍ２の入力を示す図、 第１２図は第２の実施例のスキャン動作を説明する説明図、 第１３図および第１４図は２つの座標系の数学的表現を説明する説明図、 第１５図はメカニカルスタイラスを用いた場合のスキャン動作を説明する説明図 、 第１６図はメカニカルスタイラスを用いる場合の制御システムを示すブロック図 、 第１７図および第１８図はタッチトリガプローブを用いた場合のスキャン動作を 説明する説明図、第１９図はワークピース表面の点からデータを収集する方法を 説明する説明図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図ないし第３図を説明する。

座標測定装置ＣＭＭは、動作部１０を直交座標系のＸ。

Ｙ、Ｚ直交座標軸方向に並進させるため、動作部１ｏがテーブル１１に支持され ている。動作部１０はワークピース１２が搭載されたテーブル１１に対してモー タＭＸ、ＭＹ、ＭＺにより既知の方法でＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に駆動されている。動 作部１０にはモータ駆動のスキャンヘッドＰ）ｌが固定されている。スキャンヘ ッドＰＨは可動部としてのシャフト２２がモータＭｌにより軸Ａｔを中心として 回転可能に固定部としてのベースすなわちハウジング２０により支持されている 。シャフト２２はハウジング２３に固定されている。シャフト２４は軸ＡＩと直 交する軸Ａ２の回りにモータＭ２により回転可能にハウジング２３により支持さ れている。ハウジング２３とシャフト２４はそれぞれスキャンヘッドＰＨの下位 概念の固定部と可動部と見ることができる。シャフト２２．２４はそれぞれハウ ジング２０、２３にベヤリング２２Ａ、２４Ａを介して回転可能に取り付けられ ている。ベヤリング２２Ａ、　２４Ａはエヤーベヤリングが望ましい。エヤーベ ヤリングは装置により供給される空気を利用する既知のものである。シャフト２ ４はフレーム２５に取り付けてあり、フレーム２５には表面検知装置としてのス タイラス２６が取り付けである。スタイラス２６の軸Ａ３は軸Ａ２に直交してい る。スタイラス２６はその自由端が球状の検知素子、すなわち、表面接触チップ ２７になっており、その支持端が本質的に軸Ａ２になっている。軸ＡＩ、Ａ２． Ａ３は交点２８に共通点を有し、本実施例では、軸Ａ１は装置のＺ軸と一致して おり、軸Ａ２はＹ軸と一致している。よって、スキャンヘッドＰＨはスタイラス が搭載される支持材を構成している。

モータＭｌ、Ｍ２は検知素子、すなわち、チップ２７をそれぞれ軸ＡＩまたは軸 Ａ２を中心にして回転させることができ、モータＭＸ、　ＭＹ、　ＭＺはヘッド ＰＨ１もっと正確に言えば、交点２８を３次元座標フレーム構造内で直線状に移 動させることができる。フレーム構造は表面検知装置がスキャンされるワークピ ース表面と予め定めた関係を有するようにするため、座標測定装置ＣＭＨの動作 範囲によって規制されている。直線位置トランスデユーサＴＸ、ＴＹ、ＴＺは、 既知のもノテあり動作部ｌＯのｘ、ｙ。

Ｚ軸方向の線変位を測定するものである。角位置トランスデユーサＴＩ、Ｔ２は 、スタイラス２６の軸ＡＩ、Ａ２の回りの、すなわち、動作部ｌＯに対する角変 位Ｗｌ、Ｗ２を測定するものである。

以下、モータＭＸ、ＭＹ、ＭＺ、Ｍｌ、Ｍ２をまとめて指す場合はＭを付し、ト ランスデユーサをまとめて指す場合はＴトランスデユーサＴは基準フレーム構造 内のスキャンヘッドＰＨの位置を測定するためのデータを供給し、スキャンヘッ ドＰＨに対する表面検知装置２６の瞬間的な位置を測定するためのデータを供給 する。

制御手段、例えば、コンピュータ５０（第４図）は、駆動信号３２Ｘ、３２Ｙ、 ３２Ｚ、３２１，３２２　ト、モータＭを駆動する場合は駆動信号３２を出力し 、ワークピース１２に対してスタイラス２７を位置させる。また、位置フィード バック信号３３Ｘ、３３．Ｙ、３３Ｚ、３３１，３３２　ト、トランスデユーサ Ｔから供給される場合は位置フィードバック信号３３を出力するようにプログラ ムされている。コンピュータ５０はまたデータ収集手段として動作する。

モータＭｌ、Ｍ２はトルクが一定であり、それぞれのロータを所定の角位置に回 転させ、その角位置でローラを保持するように、すなわち、任意の入力信号に対 して、実質的に一定のトルクなローラに与えるように動作させることができる。

よって、モータＭｌ、Ｍ２は２つのモード、すなわち、位置制御モードと、一定 トルクすなわちバイアスモードで動作することができる。

次に、第３図を参照してスキャン動作を説明する。

ワークピースの外表面は一般的にＸ、Ｙ面でスキャンされることになり、座標測 定装置はヘッドを直線径路すなわち線ＬＯに沿って移動させる。ヘッドが移動す る間、モータＭ２はバイアスモードで動作され、モータＭｌは位置制御モードで 動作される。よって、モータＭ２はスタイラス２６にトルクを与え、チップ２７ とワークピース１２の間に力ＦＢを与える。一方、モータＭ１はハウジング２５ を駆動してハウジング２５を瞬間径路方向ＬＯに移動させ、ワークピース表面の リミットＬ２とリミットＬ３の間の多数の測定位置にチップ２７を位置させる。

よって、スタイラス２６は表面の領域Ａを移動することになる。全表面を移動さ せるにはスキャン動作を異なる領域上で充分に行わなければならない。

スキャン動作の間、力ＦＢが減少し、かつ、瞬間的にスタイラス２７にかかるト ルクＦＢ、が減少するようにスキャンヘッドＰＨとワークピースＩ２が相対的に 移動した場合は、トルクが一定で、角度Ｗ２が大きくなるように、スタイラス２ ７をモータＭ２により移動させる。力ＦＢが増加するようにスキャンヘッドＰＨ が移動された場合は、モータＭ２により角度Ｗ２を調整してトルクを一定に保つ 。言い換えれば、スタイラス２７はモータＭ２のバイアストルクに応じるととも に反して軸Ａ２を中心として回転する。ワークピース表面の突起（ｆｅａｔｕｒ ｅ）がその他の障害物と衝突して、スタイラスがスキャンヘッドＰＨに対して移 動することがあっても、モータＭｌによりその移動が調整され、スタイラス２７ の衝突が少し保護されることになる。

スキャン動作、すなわち、サーフイス・フオーム・スキャニング（ｓｕｒｆａｃ ｅ　ｆｏｒｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ）では、スタイラス２７により表面の輪郭を正 確になぞる必要があり、スタイラス２７にかかるトルクはスタイラスが曲がる程 度であればよい。ヘッドＰＨにエヤーベヤリングを用いると、表面の輪郭が変化 したとき、力ＦＢの変動に応じてスタイラスの回転運動に多少の抵抗が生じるこ とになる。よって、エヤーベヤリングを用いた場合、ベヤリングの摩擦によりス タイラスが充分に曲がらない。

そして、スタイラスの曲げに起因する表面測定位置の誤差は、較正することがで きるか、あるいは許容することができる。すなわち、２次インボータンス（ｉｍ ｐｏｒｔａｎｃｅ）にでき、無視することができる。摩擦が充分にある他のベヤ リングを用いた場合は、後述するが、スタイラス上の歪ゲージを用いた測定には 、スタイラスの曲げ誤差があることを考慮しなければならない。

次に、第５図を説明する。

モータＭｌ、Ｍ２はＤＣモータであり、コンピュータ５０により制御されている 。モータＭ１．Ｍ２には駆動信号３２１゜３２２が要求信号として制御システム ＣＩ、Ｃ２を介して印加されている。制御システムＣ１，Ｃ２では、フィードバ ック信号３３１，３３２が加算器５２１．５２２により信号３２１゜３２２と加 算されている。フィードバック信号３３１，３３２はモード制御スイッチ５４１ ，５４２の切り換えにより信号３２１、３２２と加算される。コンピュータ５０ からスイッチ５４１．５４２を駆動するためのモード制御信号５１１Ａ、　５１ １Ｂと５１２Ａ、　５１２Ｂが発生されている。

信号５１１Ａ、５１２Ａのいずれかが出力された場合、スイッチ５４１，５４２ が閉じ、モータＭｌ、Ｍ２が位置制御モードで動作する。信号５１１Ｂ、　５１ ２Ｂのいずれかが出力された場合は、スイッチ５４１，５４２が開き、その結果 、位置フィードバック信号３２１，３２２がモータＭｌ、Ｍ２に入力されなくな り、モータＭｌ、Ｍ２はバイアスモードで動作することになる。フィードホワー ド信号によりモータのトルクが予め定めたトルクに制限されるように制御システ ムＣＩ、Ｃ２により増幅器５５１．５５２がプリセットされている。

スキャン動作を制御するため、コンピュータプログラマはデータ収集手段、本実 施例では、メモリに書き込まれる所定の初期データをセット・アップ（ｓｅｔ　 ｕｐ）しなければならない。

直交座標フレーム構造内のワークピースの一般的なサイズ、形状１位置が予めわ かっているので、コンピュータプログラマは次のｉ）〜Ｖ）を含むが、これらに 限定されない初期データ５５０を決定することになる。

ｉ）Ｘ、Ｙ平面内の線ＬＯ この線ＬＯに沿ってヘッド２０がワークピース上を装置により駆動される。

ｉｉ）スタイラス２７とワークピース１２の間の望ましい初期力ＦＢとモータの 望ましいトルク Ｌｉｔ）一般的なワークピース上の高さｚｉ角度Ｗ２の適正な範囲内で、モータ Ｍ２の望ましいトルクが一定になるようにするため、高さｚｉでヘッド２０を駆 動しなければならない。

ｉｖ）領域Ａの広さ 必要なデータを収集するため、モータＭｌにより領域Ａに亘ってスタイラス２７ が掃引される。

■）特定表面を最も効果的にスキャンするための装置動作の最良モード 例えば、定速度または遅い定速でない速度。

径路ＬＯような線の初期データを決定する方法は良（知られているものである。

また、装置ＣＭＭのように、このような線に沿って動作部を駆動するための装置 を準備することも良く知られている。このため、これらの態様は特に説明しない 。本実施例では、データ５５０は所望の線上の点ｉ＝０と１＝ｎ（第３図）の間 の所定の位置間隔での、データＤＸ、　ＤＹ、　ＤＺに対する交点２８の座標点 からなる。さらに、プログラマはスタイラス２６を中立点に移動させる信号３２ １，３２２の値を位置データ５６０として決定することになる。中立点では、動 作部１０がスキャン動作の始点に位置するときであっても、スタイラス２６はワ ークピース１２から離れている。このためスタイラス２６とワークピース１２を 衝突させることなく、動作部１０を始点ｉ＝０に移動させることができる。つい で、プログラマは信号３２１．３２２の値を位置データ５７０として決定する。

信号３２１，３２２によりスタイラス２６がスキャン動作の開始状態、すなわち 、検知素子２７がワークピースとかかわる状態になる。データ５６０．５７０は 後述するように信号５１１Ａ、　５１１Ｂと５１２Ａ。

５１２Ｂを含む。また、プログラマはスタイラスの半径Ｒとスタイラスポール２ ７の径を決める。データ５５０．５６０゜５７０とＲは、通常の方法でコンピュ ータに格納される。

スキャン動作を行うに際し、まず、ワークピースを動作部１０かも充分に離すた め、点２８をとる。コンピユータには次のような動作をさせるためのプログラム ６００が格納されている。

スキャンヘッドは、高さｚｉで、線ＬＯ上のスキャン始点ｉ＝ｏに移動される。

モータＭ１を位置制御モードにし、モータＭ２をバイアスモードにし、モータＭ ２によりスタイラスポール２７を駆動し、モータＭ２の基準トルクを生ずるのに 必要な初期力でスタイラスポール２７をワークピース１２の表面と接触させる。

モータＭＸ、　ＭＹ、　ＭＺを駆動し、ヘッドＰＨを線ＬＯに沿って移動させ、 同時に、モータＭｌを駆動し、スタイラスを線ＬＯの両側でしかも限度ＬＬとＬ ２の間で振動させる。

位置ｉ＝１からｉ＝ｎで、トランスデユーサＴの出力を読み、スタイラスポール のｘ、ｙ、ｚ座標の瞬時値を算出し、メモリに格納する。

本実施例では、コンピュータ５０はスキャン動作を制御するとともに、データを 収集する。

装置の移動速度は、装置の加速または減速に起因する誤差を避けるため、一定で あることが望ましい。表面が通常の平面である場合は、データ収集が迅速かつ正 確に行われる。このような平面では、径路に沿って座標測定装置を駆動すること が必要になるため、速度を一定に維持することは不可能になる（第８図および第 ９図参照）。

コンピュータは空間的基準に代わる時間的基準に基づき、トランスデユーサＴに より読み取られる周波数を決定することができる。

表面検知装置の振動がスピンドルに伝達されることがある。第６図はこの問題を 解決するために第３図示ヘッドを改善した例を示す。第６図において第３図と同 一符号は同一部分を示す。

第６図にはヘッドの頂部２０のみが示しであるが、底部２４も全（同様に改善さ れている。

次に、第６図を説明する。

ハウジング２０は装置のタイル（ｑｕｉｌｌ）に取り付けられている。モータＭ ｌは２つの逆に回転する回転部２００と２０２を有する。装置からの電力は中央 ダクト２０４を介してケーブルにより回転部２００に供給されている。

回転部２００はエヤーベヤリング２０６上を軸Ａ１を中心として回転している。

回転部２００はスラストフランジ２０８を有し、スラストフランジ２０８はハウ ジング２０に取り付けられている。回転部２００にはモータＭ２を有するハウジ ング２３がシャフト２２により支持されている。

エヤーベヤリングのエヤーはダクト２０４を介して供給され、図示しない適正な 孔を介してエヤーベヤリング表面に供給される。

モータのもう一方の回転部２０２は、（通常だったら回転しないようにしである のだが）ベヤリング２１０に取り付けられている。従って、モータが運転され、 回転部２００が回転すると、モータ巻線を介しての反力により回転部２０２が逆 方向に回転されることになる。このようにしたので、通常、反力がモータハウジ ングに伝達されない。また、モータＭ１がハウジング２３を振動させても、振動 はクライルに伝達されない。

しかし、モータＭ１が定トルクモータであるので、ベヤリング２１０により摩擦 が生じるようになる。従って、モータがバイアスモードで駆動されると、回転部 ２０２に回転抵抗を与え、回転部２００の定トルクの反力により回転部２０２が 速度オーバしないようにする。

よって、モータＭ１が位置制御モードで振動する場合は、ベヤリング２１０によ る摩擦により最小の振動が座標測定装置に伝達される。

ヘッドはシャフト２２用のベヤリング２１２を有する。

トランスデユーサＴＩはエンコーダディスク２１４およびリードヘッド２１６を 有する。本実施例のヘッドのその他の部分は詳細に説明しない。

モータＭ２が位置制御モードで駆動されたとき、装置に伝達される振動を最小に するため、モータＭ２も同様に２つの逆回転する回転部により構成されることが 分かる。

その他のワークピースの表面も本発明の装置を用いてスキャンすることができる 。例えば（第７図および第８図参照）、円錐の表面４０Ａは、円錐をその中心軸 が、例えば、Ｚ軸と平行になるようにテーブル１１に搭載することによりスキャ ンすることができる。モータＭによりスタイラス２６を駆動して、スタイラス２ ６を、例えば、Ｘ方向に定速で平面４０Ａを通過させるようになっている。一方 、モータＭｌをバイアスモードで運転させてスタイラスを表面と接触させ、モー タＭ２を位置制御モードで運転させてスタイラスをＺ軸の位置Ｚ１とＺ２の間で 振動させる。このようにすると、表面の小さい範囲を平面４１Ａと４１Ｂの間で 一度にスキャンすることができる。

（以下余白） 次に、第８図を説明する。

モータＭＸ、ＭＹにより点２８は円径路４２Ａに沿って移動され、モータＭ１は バイアスモードで駆動され、モータＭ２は位置制御モードで駆動される。従って 、チップ２７は平面４１Ａ、　４１Ｂで表面と接触したままであり、スキャンヘ ッドＰＨはワークピースの表面を１周する。このような動作はヘッドが円径路を 移動するため、定速では行われない。モータＭＸ、ＭＹは装置にかかる慣性力を 最小にするようにコンピュータ５０により制御される。例えば、ヘッドを径路４ ２に沿って定速で駆動すべきである。

コンピュータはプログラマにより次のようにプログラムされている。すなわち、 トランスデユーサＴの読みがデータ収集手段、例えば、メモリに、第３図示の例 では、径路４２Ａに沿ってｉ＝０からｉ＝ｎの間隔で供給されたように、望まし くは一定の間隔で供給される。スタイラス２６は望ましくはスタイラスホルダ２ ５に固定されたバランス錘２５Ａによりバランスがとられ、このバランス錘２５ Ａにより、モータＭ２への電力が軽減されている。他の形状のバランス錘を使用 することができることは勿論である。

さらに、定トルクモータに替えてバネによりスタイラス２１６に定トルクをかけ るようにしてもよい。

上述した制御システムは、簡単で、表面検知装置に対し、パイアスカが局部表面 に垂直にかかり、位置側（電力がパイアスカと直交する方向にかかるようにした ので、有意領域（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ａｒｅａｓ）が平面上にある表面に 対して充分機能する。

しかし、表面が２つのモータの軸に対して直交する方向にある場合は、２つのモ ータは同時にバイアスモードと位置制御モードで回転させなければならなくなる かもしれない。従って、制御システムは２つのモータに電流を供給して、スタイ ラスによりワークピースに対して垂直に、実質的に一定の力をかけ、表面検知装 置をワークピース表面上を並進させることになる。

スタイラス２６に替えて非接触型プローブ、例えば、光学プローブを用いること ができることが分かる。この場合、モータＭ２をバイアスモードで回転させる必 要はない。モータＭ２をロックするか、あるいは位置制御モードで回転させてヘ ッドを複雑に移動させることができる。

また、表面を詳しく知るには、スタイラスに替えて、メカニカルプローブ、例え ば、アナログプローブ、接触トリガプローブを用いることができる。これらプロ ーブの出力は装置とヘッドの出力とともに読み取る必要があるので、より複雑な データ解析をする必要がある。

前述したスキャン動作または後述するスキャン動作において、コンピュータは次 のようにプログラムされている。すなわち、動作中種々のトランスデユーサから 集められるデータを使用し、また、そのデータをプログラマにより入力された初 期データと結合して使用し、基準点に対する基準フレーム構造内のワークピース 表面上の座標点を測定するようにプログラムされている。

第９図ないし第１９図は本発明実施例の中ぐりスキャン方法を説明する図である 。

第９図ないし第１１図を説明する。プローブヘッドＰＨは交点２８が円筒状中ぐ りの軸Ａ４上にあり、軸Ａｌ、Ａ２．Ａ４が互いに直交している（第９図参照） 。軸ＡＩ、Ａ２．Ａ４のこのような関係は説明がなくても本実施例では存在する ことにする。そして、スタイラスはベクトルＶｌの方向に移動して中ぐり６０の 表面と点Ｐ１で接触する。電流Ｓｌ、Ｓ２（第１１図参照）はモータＭｌ、Ｍ２ にそれぞれ供給され、座標測定装置の適正なモータが始動され、プローブヘッド を定速で軸Ａ４の方向に駆動する。電流Ｓｌ　、　Ｓ２が供給されたとき、電流 Ｓ１は最大であり、電流Ｓ２はゼロである。これはモータＭ１により発生される トルクが最大で、モータＭ２のトルクがゼロであることを意味する。従って、こ のとき、スタイラスは中ぐりの表面に対してベクトルＶｌの方向に駆動される。

そして、電流Ｓ２が増加するに従って、モータＭ２のトルク（ベクトル■２と平 行な方向に）が増加し、モータＭ１のトルクが減少し、スタイラス２６は中ぐり ６０の表面と接触したままで移動することになる。スタイラス２６が角度ｗｔ＝ 　９０＠（第１０図参照）で表わされる位置に向って回転すると、Ｎ　流Ｓ　１ 　、　Ｓ　２がそれぞれ減少、増加するに従ってベクトルｖ１に平行にがかる力 Ｆ】は減少し、■２に平行にがかる力Ｆ２は増加することになる。ｗｔ＝　９０ °で表わされる位置で、力Ｆ１はゼロになり、力Ｆ２は最大になり、ベクトルｖ ２の方向にかかる。第１１図から分かるように、ｗｔ＝　９０°の位置を過ぎる と電流Ｓｌは負の値になる。

従って、ｗｔ＞　９０°　〔勿論、ｗｔ＜　２７０”　）のときは、モータＭｌ のトルクは逆方向（ベクトルＶｌと逆平行）になり、力Ｆが逆向きにかかること になる。そして、ｗｔ＝　　２７０°で力Ｆ１の方向が変化する。力Ｆ２はｗｔ ＝　０　”と　１８０°で方向が変化する。従って、モータＭｌにコサイン波の 電流を供給するとともに、モータＭ２にサイン波の電流を供給することにより、 スタイラスを中ぐりの表面と接触させたままで駆動することができる。また、ヘ ッドはスキャン動作中、中ぐりの軸に沿って移動するので、スタイラスは中ぐり 表面を螺旋を描いて移動し、中ぐりの長手に沿ってその表面データが収集される ことになる。

力Ｆｌ、Ｆ２はサイン波形状に変化するが、その合成力Ｆは一定であり、常に、 ラジアル方向にかかることに注意すべきである。合成力がラジアル方向にかがる ことは望ましい。というのは、スタイラスは中ぐりの表面に押し付けられたとき 絶対に変形してはならないがらである。その結果、位置トランスデユーサＴＩ、 Ｔ２は、スタイラスポール２７の軸Ａ４からの実際の変位よりわずかに大きい角 度変位を表わす角度変位データＷｌ。

Ｗ２を出力することになる。この誤差はスタイラス２６の所定の力に対する曲げ を測定して、システムで較正することができる。しかし、スキャン中に、力の大 きさか、あるいは方向が変化した場合は、スタイラスの曲げが変化することにな り、スタイラスの曲げに起因する誤差はシステムで較正することができなくなる 。

また、スタイラスは、スタイラスポール２７と中ぐり表面の間の摩擦により、中 ぐり６０の表面に対して接線方向に変形する。しかし、接線方向の変形が常に一 定である場合は、この変形はそのラジアル方向の成分が小さいので、ラジアル方 向の力Ｆによる変形に比較して重大なことではない。接線方向の変形に起因する 問題を解決する方法としては、スタイラスポール２７をベヤリングに搭載して、 中ぐりの表面に沿ってころがるようにする方法がある（別の方法は後述する）。

表面検知装置としてのスタイラスを用いて中ぐりをスキャンする他の方法として は、定角速度でスキャンする方法がある。これは位置制御サーボメカニズムによ り実施される。定角速度でスキャンする間は、スタイラスにかかる力が変化する ので、スタイラスの曲げを検知する手段、例えば、図示しない歪ゲージアレイを スタイラスに取り付けても良い。歪ゲージアレイは３つの直交する方向の歪を検 知するように、通常、３つの歪ゲージよりなる。スタイラスの軸方向の歪は小さ いため、通常、無視する。

次に、定速スキャンの原理を説明する。スタイラスは位置制御サーボにより、定 角速度で中ぐりの表面に沿って駆動される。歪ゲージは瞬間瞬間のスタイラスの たわみ（例えば、曲げ）を示す。従って、任意の時点での歪ゲージの出力値に従 って、スタイラスの位置をトランスデユーサＴの出力値に補正することができる 。この補正はスキャン動作が終了した後に、動作中に、すなわち、リアルタイム で記録された歪ゲージのたわみデータを参照して行われる。

次に、定角速度で行う簡単な中ぐりスキャンを説明する。

モータＭｌにより軸ＡＩを中ぐり軸Ａ４と一致させる。定電流（一定トルクを発 生する）がモータＭ２に供給され、スタイラス２６を駆動してスタイラス２６を 中ぐり表面と接触させる。そして、モータＭｌが位置制御サーボにより　３６０ °回転される。トランスデユーサと装置の出力が通常の方法で読まれる。この説 明と違って、実際には、軸Ａｌと軸Ａ４を一致させることはできない。従って、 一般的には、位置制御サーボにより軸Ｍｌと軸Ｍ２をプローブＰＨと中ぐり６０ の相対的な原点を考慮した適正な方法で制御しなければならない。

次に、第１２図ないし第１４図を参照して歪ゲージたわみデータ（スキャン動作 中、スタイラスにかかる力が変化したときに得られる）を用いてスタイラス位置 を補正する方法を説明する。

まず、第１２図を説明する。

スタイラスを軸ＡＩに対して角度αだけ傾け、座標Ｘ＋　ｙ＋Ｚで表わされるプ ローブヘッドＰＨの基準フレーム構造内で変位させる。これらの値は極座標から 直交座標への既知の変換により得られる。しかし、スタイラスが曲がるので、ス タイラスポール２７はトランスデユーサＴｌ、Ｔ２の出力により得られる位置よ り変位δ８．δ９．δ工だけ変位する。スタイラスのたわみの度合は、スタイラ ス上に取り付けた歪ゲージの出力に基づき補正される。しかし、この出力はスタ イラスチップが基準フレーム構造内にある場合の出力である。

従って、スタイラス座標系をプローブヘッド座標系に変換する必要がある。この ように変換することにより、プローブヘッドの基準フレーム構造内のスタイラス ポール２７のたわみ（例えば、スタイラス曲げ）が得られる。スタイラスポール の真の位置を得るには、変位δ８．δつ、δ□と座標Ｘ＋　ｙ＋　Ｚを加算しな ければならない。変換は次のようにして行われる。

次に、第１３図および第１４図を説明する。

プローブヘッドＰＨの基準フレーム構造は軸ｘ、ｙ。

Ｚにより定められ、スタイラスポール２７の基準フレーム構造内の座標はＸ＋　 ｙ＋　Ｚで表わされる。しかし、極座標（Ｒ，Ｗ、、Ｗ２）を用いた方が便利で ある。ただし、Ｒはスタイラスの交差点２８からの長さ、Ｗ、はスタイラスのＹ 、Ｚ平面に垂直な軸に対する変位角、Ｗ２はスタイラスのＹ軸に対する変位角で ある。

ｘ　＝Ｒｓｉｎ　Ｌ　ｓｉｎ　Ｌ ：Ｊ　＝Ｒｃｏｓ　Ｗ。

ｚ　＝Ｒｓｉｎ　Ｌ　ｃｏｓ　Ｌ 変換のために、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に対する単位ベクトルをそれぞれｉ＋ｉ＋にと定義 し、Ｘ　＋　３’　＋　Ｚ軸に対する単位ベクトルをそれぞれ４２．　ｍ、　ｎ と定義する。

スタイラスのＸ＋　ｙ＋　　Ｚ座標をＸ、Ｙ、Ｚ基準フレームに変換するには、 単位ベクトルｊ２．　ｍ、旦を単位ベクトルｉ＋ｉ＋にで表わす必要がある。

このような変換例としては、例えば、旦を単位ベクトル±、豆、にで表わす例が ある。

旦はスタイラスポール２７の位置を定める位置ベクトル二と同一方向を指す。

ｒ　＝Ｒ（ｓｉｎ　Ｌ　ｓｉｎ　Ｌ　Ｌ　＋ｃｏｓ　Ｌ　ｊ＋ｓｉｎ　Ｗ、　ｃ ｏｓ　Ｌ　％） 、’、　ｎ　＝ｓｉｎ　Ｌ　ｓｉｎ　Ｗ＋　ｇ　＋ｃｏｓ　Ｌ　、ｉ＋ｓｉｎ　 　Ｌ　　ｃｏｓ　　Ｌ　　ｋモータＭｌ、Ｍ２によりスタイラスにかかるトルク の大きさを実質的に一定にすることができるが、スタイラスとワークピース表面 を接触させるのでスタイラスにかかる力が変化する。ワークピースと接触してい るスタイラスにかかる力は、スタイラスにかかるトルクと、スタイラスとワーク ピース表面との摩擦抵抗の関数である。スタイラスにかかる力をできる限り一定 に保つには、スキャン動作中、スタイラスが一定の割合で（歪ゲージアレイで検 知して）曲がるように、モータＭｌ、Ｍ２によりスタイラスにかかるトルクを変 化させることが望ましい。このようなスキャン方法を第１５図ないし第１６図を 参照して説明する。図には中ぐりスキャンの例を示したが、この方法は全てのス キャン方法に適用することができる。

第１５図は中ぐりスキャン動作の説明図である。

図には中ぐりの上半分は示していない。前述したスキャン動作と同様に、プロー ブヘッドＰＨを交点２８が中ぐり６０の軸上にあるように位置させる。モータＭ ｌ、Ｍ２はスタイラス２６が中ぐり６０の表面と接触するように駆動される。力 Ｆ。はスタイラスにかかる合成力が適正になるように決定される。モータＭｌ、 Ｍ２はスタイラスを中ぐりの表面に沿って移動させ、スタイラスに力Ｆ０をかけ るが、これらモータＭｌ、Ｍ２のいずれかによりスタイラスにかけられたトルク は予測され、従って、このトルクを発生するようにモータに供給される電流が変 化される。

歪ゲージアレイ１２８（第１６図）はスタイラスにかかる実際の合成力Ｆ８の互 いに直角をなす成分の大きさに応じてデータを出力する。２つの成分のうちの第 １の成分ＦＡは、スタイラスの軸に対して直交する方向にかかり、第２の成分Ｆ ８はスタイラスの軸と成分ＦＡに対して互いに直交する方向にかかる。成分ＦＡ 、　Ｆｓの値が制御システム１３２の変換回路１３０に供給され、変換回路１３ ０により合成力Ｆ、ｌの大きさと成分ＦＡと成分ＦＢの間の角度θが算出される 。合成力Ｆ８の大きさと望ましい力Ｆｏの大きさとが加算器１３４で比較され、 加算器１３４により力Ｆ８と力Ｆ。の差に応じた力Ｆ２が出力される。分割回路 １３６は誤差信号Ｆ、を２つの互いに直交する成分ＦＥＣＯ８θとＦ。ｓｉｎθ に分割する。軸Ａ１からスタイラスポール２７までの距離は、軸Ａ４にあるスタ イラス２６に対する角度φの関数として変化するので、モータＭｌに送られた誤 差信号は角度φの関数でなければならない。

というのは、モータＭｌによりスタイラス２６にかかるトルクがスタイラスポー ル２７と軸ＡＩの間の垂直距離の関数として変化するからである。回路１３ｇは 信号Ｆｔｓｉｎθ／ｃｏｓθ（θの値はモータＭｌの位置から得られる）を発生 してこれを補正している。両誤差信号は増幅器１４０により増幅され、モータＭ ｌ、Ｍ２に供給され、スタイラスにかかるトルクが補正される。スタイラスにか かる補正後のトルクはメカニカルフィードバックとして歪ゲージアレイにかかる 。

スタイラスに替えてアナログプローブを用いることができ、一般的なスキャン動 作をするので、上述した３つの中ぐりスキャン方法を同様にアナログプローブを 用いたスキャンに適用することができる。アナログプローブを用いたスキャンと スタイラスのみを用いたそれとの大きな違いは、プローブを用いた場合、プロー ブのスタイラスのたわみは２つのトランスデユーサＴ、、Ｔ、の出力とともに、 スタイラス上の歪ゲージアレイの出力が加算されることである。光学的スタイラ スのみを必要とし、強制的に必要量だけたわませるようにしたアナログプローブ がむしろ用いられる。このプローブによるとスタイラス曲がりが最小になり、デ ータ収集をさらに複雑にしないためスタイラス上の歪ゲージアレイを取り除（こ とができる。

スタイラスまたはアナログプローブをワークピースは、多（の離散した点でワー クピースのデータを収集する方法がある。この方法をプローブヘッドＰＨにより 実施するには、そのプローブヘッドにタッチトリガプローブを搭載することによ り実施することができる。

適正なプローブはＷＯ３６１０３８２９に記載されている。

次に、この他の方法を第１７図および第１８図を参照して説明する。

モータＭ１はその軸が実質的にワークピースの表面と直交するように位置させ、 また、モータＭ２により、スタイラスの高さをスタイラスがワークピースの表面 と接触する高さにする。モータＭｌはサイン波信号により駆動され、モータＭｌ によりタッチトリガプローブのスタイラスを、軌跡Ｌ４．　Ｌ５で表わす２つの 予め定めたモータＭ１の回転端の間で、単純な調波振動をさせる。

プローブヘッドが取り付けられた座標測定装置は、普通、定速で径路１５０に沿 って駆動され、スタイラスは第１７図に示すように、ラスクスキャン径路１５２ を描（ことになる。また、モータＭ２はサイン波信号で駆動される。しかし、モ ータＭ２の駆動信号はその周波数がモータＭｌのそれより大きい。従って、モー タＭｌの１回転ごとにモータＭ２は５回転することになる。その結果、モータＭ ｌ、Ｍ２の合成運動により、タッチトリガプローブのスタイラスは、第１７図に 示すスキャン径路１５２に沿った多くの離散点でワークピース１５４と接触する 。径路１５０に沿って見た場合と軸ＡＩに直交する方向から見た場合のスタイラ スポールの運動を第１８図に示す。図から分るように、スタイラスポールの運動 は裁断サイン波１５６の形状になっている。

次のことに注意されたい。この図に示す径路は、プローブヘッドの径路１５０に 接近するスタイラスポールの横切り運動のみを示す。径路１５０を横切る加速度 は小さく、裁断サイン波の波長はおよそ一定である。スキャン径路の端に接近す るほど、スタイラスの横切り速度が遅くなるので、裁断サイン波の波長が小さく なこのような方法を用いて収集したデータは、使用されるタッチトリガプローブ の種類によって変化する。

例えば、データはスタイラスがワークピースと接触した点と、スタイラスがワー クピースから離れた点で収集することができる。

例えば、国際出願Ｗｏ　８９１０５４３５に開示されている、タッチトリガプロ ーブとアナログプローブを組み合わせたものは、このような方法によるスキャン に用いることができる。また、このプローブを用いた場合は、収集されたデータ は３つのカテゴリーに分類することができる。

ｌ、プローブのスタイラスがワークピース表面と最初に接触する第１８図に示す 点の位置１５８２、プローブのスタイラスがワークピース表面から離れる第１８ 図に示す点の位置１５９ ３、点１５８と点１５９の間のワークピース表面の点分布に関する情報を与える 「アナログデータ」カテゴリー２で説明したデータ点は、歪ゲージアレイをタッ チトリガプローブのスタイラスに取り付け、歪ゲージアレイの出力が予め定めた レベル以下になったとき、すなわち、実質的に、スタイラスの端部に力がかから な（なったときの点を検知して確認することができる。上述した３つの異なるカ テゴリーは、その精度は様々であり、そのため、異なる目的に使用することがで きることが理解されるだろう。

データを収集する方法はスキャン方法や用いられる動作により明らかに異なる。

スキャンについて説明すると、例えば、スキャン動作中、スタイラスがワークピ ースと接触しているところでは、装置の出力と、プローブヘッドのトランスデユ ーサ出力と、歪ゲージ出力は、予め定めた時間間隔で、同時に記録される（これ らの出力は必要ならば交互に予め定めた位置間隔で選択することができる）。こ うすることにより、スキャン径路に沿って一連の離散点データを得ることができ る。上述した方法により動作するタッチトリガプローブを用いて収集されたデー タは、必然的に、一定間隔で収集される一連の離散した点になる。

収集されたデータは、コンピュータのデータグリッド（ワークピース表面を数学 的に表わす）上の点のデータに対して、空間上の点を決定するのに用いられる。

データグリッド上の点は直接的に算出することはできない。例えば、その表面を 数学的に表わした点に完全に一致するワークピース上の点では、測定をすること ができない。これは検出期間に拘束されるからであり、（より基本的なことを言 えば物理的に拘束されるからである。この物理的な拘束により測定精度の範囲内 で、任意の位置に到達する能力（座標測定装置のトンネルパフォーマンス（ｔｕ ｎｎｅｌｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）として知られている）が規制され る。

次に、データグリッド上の点空間で位置を測定する方法を第１９図を参照して説 明する。

第１９図はワークピース１６０とワークピース１６０の表面に重ねられたデータ グリッド１６２を示す。データグリッド１６２の交点１６４で、便宜上、計算を 行い、コンピュータにより模型試験を行う（ｃｏｍｐｕｔｅｒｍｏｄｅｌｌｉｎ ｇ）ため、１つのデータに対して、ワークピース表面の空間の位置を測定するこ とが望ましい。簡単にするため、データグリッドがＸ−Ｙ平面にあるものとし、 点１６４のＸ、Ｙ座標がＸ−Ｙ平面にあるものとすることが知られている。その 目的は点１６４のそれぞれのＺ座標を決定することにある。

スキャン動作により、ワークピース表面がラスクスキャン径路１６８に沿って一 定間隔おいて設けた点１６６で測定される。例えば、グリッド点１７０のＺ座標 を測定するには、測定されるグリッド点１７０の近傍にある３つの測定点１６６ Ａを頂点とした三角形が形作られる。

３つの測定点１７４により決定される平面は、三角形１７２内の局部的なワーク ピース表面を表わすための平面である。グリッド点１７０のＸ、Ｙ座標における 平面のＺ座標がワークピース表面のＺ座標になる。

従って、ラスクスキャン径路の大きさは、平面状のワークピースとみることので きる三角形の大きさによって決定することができる。

上述した本発明実施例では、モータは定トルクモータで、モータに供給される任 意の電流により任意のトルクが発生される例を説明した。しかし、モータにより 発生されるトルクは、磁束密度の変動、すなわち、不完全な整流により、必ずし も供給される電流に依存せず、ロータとステータの相対的な角度位置により変動 する。

本発明のスキャンヘッドのモータトルクの制御を改善するには、電流に対するト ルクが測定できるとともにプロットすることができ、しかも、電流を制御して所 定のトルクを得るか、あるいは電流を知って実際のトルクを決定するため、コン ピュータに供給される初期情報と加算される「エラーマツプ」を作成しなければ ならない。

このように改善すると、スタイラスの曲がりを歪ゲージアレイで測定する必要が なく、スタイラスの曲がりを必要な精度範囲内で直接測定することができる。

本発明実施例では表面検知装置を１またはそれ以上の軸のまわりに回転運動させ る例を説明した。

アナログプローブは、例えば、米国特許３．８６９．７９９の明細書から知るこ とができ、スタイラスを直交軸に対して並進運動させる例の国際出願ＰＣＴ／Ｇ Ｂ８９１０１１９７（係属中）の明細書から知ることができる。米国特許３、８ ６９．７９９に開示されたプローブは、このような運動をさせるためのモータを 含む。

スキャンヘッドを、上述した明細書のいずれかの開示に従って構成し、プローブ のスタイラスを２つの直交する方向にスキャンできるように移動させるためモー タを用いる。このようにした場合、プローブ内の一般的なトランスデユーサによ りスキャンデータが供糸合される。

このように構成したヘッドは、例えば、その直交軸に対して傾けた表面上で、定 トルクモータの複雑な制御を避けるため、また、クランク機構を有するスタイラ スにより円筒の外表面をスキャンするため、用いることができる。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、他の実施態様にも適用できる 。

（以下余白） −一一−１ 国際調査報告 −軸四鞭−−−＾−に一＠ｍ　ＩＩＬｐ（丁／ＧＢ　　８９１０１５０４国際調 査報告 ＰＣＴ／ＧＯ８９１０１５０’４

Claims (39)

【特許請求の範囲】
1. １．３次元基準フレーム構造内の支持材に搭載した表面検知装置を用いてワーク ピース表面をスキャンする方法において、 表面検知装置が前記ワークピース表面を通過する径路に沿って、前記支持材とワ ークピース表面を相対的に移動させるステップと、 瞬間径路方向に送られる前記表面検知装置を相対的に移動させるステップと、 前記表面検知装置をワークピース表面と予め定めた空間的な関係を持たせるステ ップと を具備したことを特徴とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項において、 基準フレーム構造内の多数の測定点での前記支持材の、基準位置に対する位置を 測定するステップと、前記支持材が前記測定点に位置したときの表面検知装置の 支持材に対する瞬間位置を測定するステップと、 スキャンされる表面上の多数の点の前記基準フレーム構造に対する位置を測定す るため、前記測定結果を用いるステップと を具備したことを特徴とする方法。
3. ３．請求の範囲第１項において、スキャンされる前記ワークピース表面と前記支 持材を定速で相対的に移動させることを特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲第３項において、スキャンされるワークピース表面とモータによ り駆動されるヘッドを相対的に移動させるため、前記支持材を表面検知装置によ り定速度で駆動することを特徴とする方法。
5. ５．請求の範囲第１項において、瞬間径路方向に送られる表面検知装置の相対的 な移動は振動であることを特徴とする方法。
6. ６．請求の範囲第５項において、振動は瞬間径路方向に送られる直交する２つの 方向で行うことを特徴とする方法。
7. ７．請求の範囲第６項において、ワークピースはその内表面または外表面が円筒 状であり、軸線を有し、径路は少なくとも前記軸に平行な成分を有することを特 徴とする方法。
8. ８．請求の範囲第１項において、支持材は少なくとも１つの軸を有するスキャン ヘッドであり、ワークピース表面に対して送られる表面検知装置は、前記スキャ ンヘッドの軸の回りを振動しながら回転することを特徴とする方法。
9. ９．請求の範囲第１項において、支持材は少なくとも１つの軸を有するスキャン ヘッドであり、ワークピース表面に対して送られる表面検知装置は、前記スキャ ンヘッドの軸に対して振動しながら並進することを特徴とする方法。
10. １０．請求の範囲第１項において、表面検知装置はワークピース表面と接触する チップを有するスタイラスであり、表面検知装置と前記ワークピース表面との予 め定めた関係は、前記チップと前記ワークピース表面が接触しているという関係 であることを特徴とする方法。
11. １１．請求の範囲第１項において、表面検知装置はチップによりワークピース表 面と接触するようにしたスタイラスを有するタッチトリガプローブであり、表面 検知装置と前記ワークピース表面との予め定めた関係は、前記チップと前記ワー クピース表面が接触しているという関係であることを特徴とする方法。
12. １２．請求の範囲第２項において、 表面検知装置はチップによりワークピースと接触するようにしたスタイラスを有 するアナログプローブであり、表面検知装置と前記ワークピース表面との予め定 めた関係は、前記チップがワークピース表面と接触しているという関係であり、 前記アナログプローブはそれ自体に対するスタイラスの位置を測定するトランス デューサを有することを特徴とし、 前記トランスデューサにより多数の測定点のそれぞれで前記アナログプローブに 対するスタイラスの位置を測定するステップと、 前記基準位置に対して、座標フレーム構造内にあるワークピース表面の点の位置 を測定する際に、前記測定結果を使用するステップと を備えたことを特徴とする方法。
13. １３．請求の範囲第１０項または第１２項において、スタイラスはワークピース 表面との接触に起因するスタイラスの変形を測定するトランスデューサを搭載し たことを特徴とし、 前記トランスデューサによりスタイラスの変形量を測定するステップと、 前記基準位置に対して、座標フレーム構造内にあるワークピース表面の点の位置 を測定する際に、前記測定結果を使用するステップと を具備したことを特徴とする方法。
14. １４．請求の範囲第１項において、表面検知装置は非接触プローブであり、表面 検知装置と前記ワークピース表面との予め定めた関係は、前記非接触プローブを 前記ワークピースから予め定めた距離を置いて位置させるという関係であること を特徴とする方法。
15. １５．請求の範囲第１３項において、プローブは光学的プローブであることを特 徴とする方法。
16. １６．装置にスキャンヘッドを搭載するステップと、前記スキャンヘッドに表面 検知装置を搭載するステップと、 前記スキャンヘッドとスキャンされる前記ワークピース表面を相対的に移動させ るステップと、表面検知装置を前記相対的移動の瞬間的方向に移動させ、表面検 知装置と前記ワークピースを多数の点で予め定めた関係を持たせるステップと、 を具備したことを特徴とする方法。
17. １７．請求の範囲第１６項において、 装置は基準位置に対し、３次元座標フレーム構造内のスキャンヘッドの瞬間的位 置を測定するトランスデューサを有し、モータ駆動されるヘッドはそれ自体に対 する表面検知装置の瞬間的位置を測定するトランスデューサを有することを特徴 とし、 多数の点のそれぞれにおいて、表面検知装置の前記座標フレーム構造内の位置を 、装置およびスキャンヘッドに搭載された前記トランスデューサにより測定する ステップと、 前記基準位置に対して、座標フレーム構造内にあるワークピース表面の点の位置 を測定する際に、前記測定結果を使用するステップと 　を具備したことを特徴とする方法。
18. １８．軸を規制する手段と、 スキャンヘッドに搭載した表面検知装置と、該表面検知装置を前記軸に対して相 対的に移動させる駆動手段と、 該駆動手段により移動された前記表面検知装置により、スキャンヘッド内に生じ る反力の装置に及ぼす作用を減少させる手段と を具備したことを特徴とするスキャンヘッド。
19. １９．固定部および可動部と、 該可動部を支持し、スキャンヘッドを動かすために移動軸を規制するエヤーベヤ リングと、前記可動部に搭載した表面検知装置と、前記軸に対して可動部を移動 させ、スキャンされるワークピース表面に対して表面検知装置を位置させる駆動 手段と を具備したことを特徴とするスキャンヘッド。
20. ２０．請求の範囲第１８項または第１９項において、スキャンヘッドは表面検知 装置が移動する直交する２つの軸を規制する手段を有することを特徴とするスキ ャンヘッド。
21. ２１．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置が移動するス キャンヘッドのそれぞれの軸は、回転軸であることを特徴とするスキャンヘッド 。
22. ２２．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置が移動するス キャンヘッドのそれぞれの軸は並進軸であることを特徴とするスキャンヘッド。
23. ２３．請求の範囲第１８項または第１９項において、スキャンヘッドのそれぞれ の軸に対する表面検知装置の位置を測定する位置測定トランスデューサを含むこ とを特徴とするスキャンヘッド。
24. ２４．請求の範囲第１８項または第１９項において、駆動手段は定トルクモータ であることを特徴とするスキャンヘッド。
25. ２５．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置は表面接触チ ップを有するスタイラスであることを特徴とするスキャンヘッド。
26. ２６．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置は表面接触チ ップを有するスタイラスを含むタッチトリガプローブであることを特徴とするス キャンヘッド。
27. ２７．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置は表面接触チ ップを有するスタイラスを含むアナログプローブであることを特徴とするスキャ ンヘッド。
28. ２８．請求の範囲第１８項または第１９項において、表面検知装置は非接触プロ ーブであることを特徴とするスキャンヘッド。
29. ２９．請求の範囲第２８項において、表面検知装置は光学的プローブであること を特徴とするスキャンヘッド。
30. ３０．請求の範囲第２７項において、アナログプローブはそれ自体に対するスタ イラスの瞬間的位置を測定する位置測定トランスデューサを含むことを特徴とす るスキャンヘッド。
31. ３１．請求の範囲第２５項または第２８項において、スタイラスはワークピース 表面との接触に起因するそれ自体の変形を測定するトランスデューサを搭載して いることを特徴とするスキャンヘッド。
32. ３２．請求の範囲第１８項において、減少させる手段は前記反力と同一でかつ逆 の力を生じさせるため回転加速させるスキャンヘッド内の本体よりなることを特 徴とするスキャンヘッド。
33. ３３．請求の範囲第３２項において、スキャンヘッド内の駆動手段は逆方向に相 対的に回転させるための部品を搭載したモータであることを特徴とするスキャン ヘッド。
34. ３４．３次元座標フレーム構造内に移動させるため、請求の範囲第１８項ないし 第３１項のいずれかに記載のスキャンヘッドを支持し、前記３次元座標フレーム 構造内のヘッドの瞬間的位置を測定するための位置測定トランスデューサを含む 装置と、表面検知装置とスキャンされるワークピース表面の間の予め定めた関係 をもたせるための制御手段とによりなることを特徴とするワークピース表面をス キャンする装置。
35. ３５．請求の範囲第３４項において、装置に搭載した位置測定トランスデューサ からの位置データを収集する制御手段により制御されるデータ収集手段によりな ることを特徴とするワークピース表面をスキャンする装置。
36. ３６．請求の範囲第２３項の従属項としての請求の範囲第３５項において、デー タ収集手段はスキヤンヘッド内の位置測定トランスデューサからの位置データを 受けることを特徴とするスキャンヘッド。
37. ３７．請求の範囲第３０項の従属項としての請求の範囲第３５項において、デー タ収集手段はアナログプローブ内の位置測定トランスデューサからの位置データ を受けることを特徴とするスキャンヘッド。
38. ３８．請求の範囲第３１項の従属項としての請求の範囲第３５項において、デー タ収集手段はスタイラスに搭載されたトランスデューサからのデータを受けるこ とを特徴とするスキャンヘッド。
39. ３９．装置に結合するベースと、 第１の軸の回りに回転させるため前記ペース上に支持した第１の可動部と、 前記第１の軸に直交する第２の軸を中心として回転し、前記第１の可動部上に支 持した第２の可動部と、 該第２の可動部に固定した表面検知装置と、前記第１および第２の可動部を回転 させる駆動手段とを具備し、かつ、 前記駆動手段は、表面検知装置をスキャンされるワークピース表面と予め定めた 関係にしておき、かっ、表面検知装置を前記ワークピース表面上で振動させるた め、位置制御および／またはバイアスモータとして運動される定トルクモータで あることを特徴とするスキャンヘッド。