座標測定機械用プローブヘッド
【課題】低いコストで、３つの座標方向における高分解能の測定を可能にする。
【解決手段】ハウジング12内に弾力性をもって吊り下げられた探針18を備えた座標測定機械用のプローブヘッド10。センサー構成26は前記ハウジング12に対する前記探針18の片寄りを検出する。前記センサー構成26は、磁石34と前記磁石に近接して配設されたホール素子36とを有する少なくとも１つのホールセンサーを備えている。前記探針18が片寄ると、前記磁石34が磁石34のＮ極とＳ極とによって規定されるその軸方向において前記ホール素子36に沿ってその側方を通過する。極性の変化するホール電圧が前記ホール素子36で得られる。極性が反転する点付近にあるホール電圧の直線的な範囲が、探針18の片寄りを表す量として処理される。
【解決手段】ハウジング12内に弾力性をもって吊り下げられた探針18を備えた座標測定機械用のプローブヘッド10。センサー構成26は前記ハウジング12に対する前記探針18の片寄りを検出する。前記センサー構成26は、磁石34と前記磁石に近接して配設されたホール素子36とを有する少なくとも１つのホールセンサーを備えている。前記探針18が片寄ると、前記磁石34が磁石34のＮ極とＳ極とによって規定されるその軸方向において前記ホール素子36に沿ってその側方を通過する。極性の変化するホール電圧が前記ホール素子36で得られる。極性が反転する点付近にあるホール電圧の直線的な範囲が、探針18の片寄りを表す量として処理される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジング内に弾力的に吊り下げられた探針と、前記ハウジングに対する前記探針の片寄りを検出するためのセンサー構成とを備えた座標測定機械用プローブヘッドに関し、前記センサー構成が磁石と前記磁石に近接して配設されたホール素子とを有する少なくとも１つのホールセンサーを有することを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプのプローブヘッドが下記特許文献１に開示されている。
前記既知のプローブヘッドは、シャフトの寸法を求めるために設計されている。これは回転シャフトの外周面に押しつけられた球状のプローブ先端部を有する細長いアームを有する。前記アームは、断面積が減じられた節（セグメント）からなり膜ヒンジの様態で設計された関節構造を有する平行四辺形型構造の一部である。全体の構成は単一部材のように設計されている。前記プローブ先端部を有するアームの運動を電気的に検出可能な信号に変換するために、プローブ先端部によって間接的に動かされるコアが測定コイル内に押し込まれるようになされた誘導センサー構造が利用される。この場合、センサー構造の別の実施形態としてホール素子も提案されている。
【０００３】
前記既知のプローブヘッドは、１次元測定を実行するための専用として提供され、またそれに適したものである。ホール素子の配設の詳細とホール電圧の評価に関しては、何も示されていない。
下記特許文献２には、物体の空間的位置を検出する方法および装置が開示されている。この既知の装置では、この目的のために提案されたホールセンサーなどの４×４個のセンサーの配列が利用される。この場合も、ホール素子の配設の性格とホール電圧の評価とに関しては、それ以上何も示されていない。
【０００４】
下記特許文献３には、３次元測定のために設計された座標測定機械の測定プローブが開示されている。これらの３次元位置測定のために、磁気抵抗センサーが提案されている。この既知のプローブの場合、探針はその極の一方が磁界に依存して抵抗に対向するように位置し、探針の片寄りによって磁極と抵抗との間の間隔が変化させられる。この場合も、一定の空間分解能を実現するために、磁界に感応する複数の抵抗の配列が利用される。
【０００５】
下記特許文献４には、あらゆる方向に片寄ることのできる探針を有するプローブヘッドが開示されている。これもまた、座標測定機械を利用した測定に関するものである。この既知のプローブヘッドの場合、探針の運動を測定および検出するために誘導センサーの配列が利用されているが、これは３つの軸の各々に探針の端の両側に配設された２個の誘導センサーを備えたものである。各誘導センサーは、ブリッジ回路を構成するように接続されている。
【０００６】
下記特許文献５には、はさみ尺が開示されている。この既知のはさみ尺の場合、はしご形の配列がバーの上で利用され、バー上をすべる移動子にホールセンサーが備えられている。ホールセンサーは磁石の近く、具体的にはＮ極とＳ極との間の対称面内に配設され、それにより強磁性による擾乱が存在しない場合は、磁石の磁力線が対称形にホール素子を貫通し、その結果ホール電圧が厳密にゼロとなるように構成されている。もしもホールセンサーを有する移動子がバー上で変位すると、はしご形配列の強磁性の横棒がホールセンサーを通過して磁界をゆがめ、その結果磁力線が非対称にホール素子を貫通し、有限な値のホール電圧が印加される。強磁性の横棒が通過すると、前記ホール電圧は先ずゼロから最小値に低下し、次にゼロを通過した後最大値まで増加し、その後再度ゼロに戻るという事実によって、ホール電圧のパターン（プロファイル）における上記の現象が示される。この信号の変化パターンが閾値ステージに供給され、これが上記の信号の変化パターンからパルスを形成し、その後でパルスをカウントすることによりバー上の移動子の位置が求められる。
【０００７】
下記特許文献６には、可動物体、つまり空圧シリンダー内のピストンの位置を検出する装置が開示されている。この場合も、ゼロ点を通過するホール電圧の上記の変化パターンが、具体的にはホールを磁石が横方向に横切ることにより利用される。この場合も、ホール信号は閾値ステージにより更に処理される。
最後に、下記特許文献７には、ホールセンサーにより可動部品の位置を検出するための別のセンサー構成が開示されているが、上記のホール電圧パターンと閾値ステージを使用して自動車のフロントガラスのワイパーを制御するために、このホールセンサーも同様に磁石で横方向に横切られる。
【０００８】
座標測定機械（下記特許文献８および下記特許文献２）に関する限り、前記既知の構成は、設置状況および信号の評価に関する詳しい特徴の詳細な説明を行わずに、ホールセンサーを提案している。
ゼロ点を通過するホール電圧のパターンを発生する他の応用において、位置を求めるためにホールセンサーが使用される限り（下記特許文献５、下記特許文献６、下記特許文献７および下記特許文献９）、これは全く異なる応用分野に関し、かかる応用は通過する物体の数を数えるか、またはそれにより特定の端部位置を求めるために、変調されたホール信号を閾値ステージによりパルスもしくは矩形信号に変換することに限定される。
【特許文献１】独国特許出願公開第３７２１６８２号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９８２３０５９号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第３７０８１０５号明細書
【特許文献４】独国特許発明第２６２００９９号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３７２０５２４号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９７１２８２９号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第１９６３９８０１号明細書
【特許文献８】独国特許出願公開第３７２１６８１号明細書
【特許文献９】独国特許発明第１９８５８２１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それに対して、本発明の目的は上記の不利益を回避するように、最初に述べたタイプの座標測定機械のためのプローブヘッドを提供することである。特に、座標測定機械における従来の測定用の構成では実現できなかった、低い装置費および低いコストで、３つの座標方向における高分解能の測定を可能にすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、この目的は、磁石のＮ極とＳ極とによって規定されるその軸の方向において磁石の側方をホール素子が通過して、それにより極性が変化するホール電圧をホール素子から取り出すことができ、また極性の変化点付近におけるある範囲のホール電圧が探針の片寄り量として処理されることで特徴づけられる、最初に述べたタイプのプローブヘッドによって達成される。
【００１１】
本発明の目的はこのようにして完全に達成される。
本発明の手段は座標測定機械の分野において初めて、他の応用分野でそれ自体は知られているホールセンサーの構成により、任意の座標方向における探針の片寄りを、高分解能と直線的な信号パターン（プロファイル）で検出することを提案する。ここで一般に座標の各方向について１個のホールセンサーしか必要でないが、以下説明されるように、ある種の用途においては他の理由により２個または４個のホールセンサーを使用することが有利である。
【００１２】
したがって、座標測定機械用の既知のプローブヘッドと異なり、アクティブな（作動中の）測定素子の数が大幅に低減され、前記素子をアレイ状に、つまり多数使用する必要がなくなる。他の応用分野におけるホールセンサーの使用と比較して、移動距離の関数として知られるホール電圧のパターンが、閾値の検出という意味だけでなく評価されるという利点がある。すなわち、本発明は移動距離の関数であるホール電圧のパターンがゼロ通過点の領域において比較的広い範囲にわたって直線的であり、測定値の連続的な検出および処理が可能であるという、従来認識されていなかった事実を利用するものである。
【００１３】
本発明の実施形態において、この範囲は実質的に直線性を有することが好ましい。
この手段は、ホール素子の元来非直線的な特性曲線を、例えば事前に求められている補正値によって直線に補正した場合に、測定値をより単純に処理することが可能になるという利点がある。
本発明によるプローブヘッドの好適な改良においては、それ自体は既知の仕方でハウジング内に平面が規定され、この平面は探針の待機位置において探針の半径方向の平面を形成している。
【００１４】
探針は好適には、前記平面内にある支点のまわりに旋回するようになされ、また前記旋回運動を検出するために、探針には少なくとも１つの第一の磁石が備えられ、ハウジングには少なくとも１つの第一のホール素子が備えられているか、またはその逆でもよい。
この場合、少なくとも１つの第一の磁石の軸が探針の軸と平行となり、かつ探針の待機位置では、その両極の間に規定された対称平面が前記平面内にあるように位置することが特に好適である。
【００１５】
この手段は、測定がこの平面内での探針の旋回に依存しないので、いわゆるＸ−Ｙ平面内での精密な測定が可能になるという利点を有する。
ある具体的な実施形態の場合、探針はダイアフラムにより前記平面内にカルダン方式で吊り下げられ、第一の磁石と第一のホール素子とはダイアフラム内の第一の開口を通って突出している。
【００１６】
この手段は、この目的のために必要とされる素子が障害をもたらすことなく、カルダン平面内でのＸ−Ｙ方向の片寄りを測定できるという利点がある。
この場合、第一の磁石が探針から離れる半径方向に延びるホルダー上に配設され、第一のホール素子がハウジングの軸方向に延びる内壁上に配設されていることが特に好適である。
【００１７】
この手段は、ホルダーの長さに渡って探針の旋回を強化するという利点がある。ここで、ハウジングの内壁上でのホール素子の配置は、ホルダーの最大の長さに対応している。
別の実施形態の一群では、少なくとも１つの第一の磁石がその軸を探針の軸に直交させて配設され、前記第一の磁石は探針から離れる半径方向に延びる第一のホルダーの上に配設され、前記第一のホール素子はハウジングの半径方向に延びる内壁上に配置されている。
【００１８】
この手段は、Ｘ−Ｙ平面内での旋回を検出するために必要な各素子を互いに空間的に離して配置することができ、したがってより単純に実現できるという利点を有する。
本発明の別の実施形態では、ハウジング内に長手方向の軸が規定され、この軸は探針が待機位置にあるときに探針の長手方向の軸と一致し、探針はその長手方向の軸に沿って弾性的に変位可能であり、また探針には少なくとも１つの第二の磁石が備えられ、かつハウジングにはその変位を検出するための少なくとも１つの第二のホール素子が備えられているか、またはその逆でもよい。
【００１９】
この実施形態はいわゆるＺ軸に沿った測定に関するものであり、それは本発明の範囲内で同様に有利な仕方で実行可能である。
このことは特に、探針が平面内にある支点の回りを旋回できるならば常に言えることであり、その場合は第二の磁石はその軸が探針の軸と平行となるように配列され、また探針が待機位置にあるときはその両極の間に規定された対称面が平面内に位置している。
【００２０】
この手段もまた、Ｚ軸のセンサー構成が探針のカルダン平面内に位置する場合でも、非常に精密な測定を実行できるという利点を有する。
この実施形態の実際的な形態では、探針はやはりダイアフラムにより前記平面内にカルダン方式で吊り下げられ、また第二の磁石と第二のホール素子とはダイアフラム内の第二の開口を通って突出する。
【００２１】
この方法はすでに述べた利点を有する。すなわち必要な素子は全て衝突の危険無しにダイアフラムの平面内に配設することができる。
更にＺ軸上の変位を測定するための構成の上記の実施形態において、第二の磁石が探針上に配設され、また第二のホール素子がハウジングの内壁から半径方向に離れるように延びるホルダー上に配設されていることが特に好適である。
【００２２】
この構成は、Ｘ−Ｙ平面内での測定のためにセンサー素子の配列に直接対向する仕方で設計されており、したがって同様に、Ｘ−Ｙ平面内で同時に起きる片寄りをＺ軸上で独立な特に精密な測定を行うことができるという利点を有する。
別の実施形態では、第二の磁石はその軸が探針の軸と平行となるように配設され、探針が待機位置にあるときはその両極の間に規定された対称面が前記平面から間隔を開けるように配置されている。
【００２３】
この手段は一方では測定素子の間隔を開けた配置により、また他方ではカルダン平面の間隔をあけた配置により、単純な構成が可能となるという利点がある。
最後に挙げた実施形態の場合、２つの磁石が互いに軸方向に離間して備えられているという事実により、特に良好な動きが更に得られる。
この手段は、Ｚ軸に沿った変位の方向を信頼性良く検出できるという利点を有する。
【００２４】
最後に、第二の磁石が探針上に配設され、また第二のホール素子がハウジングの内壁から半径方向に離れるように延びるホルダー上に配設されていることが好適である。
この手段は、探針がＸ−Ｙ平面内で同時に旋回していても、Ｚ軸上で精密な測定が可能であるという、すでに述べた利点を有する。
これまでに述べた全ての実施形態において、複数のホールセンサー、特に４つの第一のホールセンサーまたは２つの第二のホールセンサーが、プローブヘッドの周縁部にわたって分布するように配列されていることが特に好適である。
【００２５】
この手段は差動測定が可能である、すなわち例えばＸ−Ｙ平面内での旋回の測定中に、互いに対向して配置されたセンサーにおいて反転する信号の変化のみが検出され、同じ方向における変化はＺ軸に沿った探針の運動から生じるものなので無視され、第一のホールセンサーでは検出されずに第二のホールセンサーで検出されるという利点を有する。
最後に、本発明の範囲内において、旋回の検出に供される少なくとも磁石および／またはホール素子が球面を備えており、その球面の曲率半径が旋回運動の半径に対応していることが特に好適である。
【００２６】
この手段は、ホールセンサーの各素子が互いに相対的に旋回したときに、素子間の空隙が一定のままとなることが有利である。
更に別の利点が、説明および添付図面から理解される。
上で説明した特徴および以下で説明する特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ説明した組み合わせだけでなく、他の組み合わせ、または単独で利用できることは、自明である。
【００２７】
本発明の実施形態が図面で図示され、以下の記述により更に詳しく説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１ないし図４Ｂにおいて、１０は座標測定機械による３次元測定用のプローブヘッド全体を示す。プローブヘッド１０は、軸方向に延びる内壁１４を有するハウジング１２を有する。軸方向の内壁１４の円周面にはダイアフラム１６が固定されている。ダイアフラム１６はその中央で探針１８を支持しているが、その軸１９は図１に示すように探針１８が待機位置にあるときにハウジング１２の長手方向の軸と一致する。更に、軸１９はプローブヘッド１０のＺ軸上にあり、その横方向の軸は通常の仕方でＸおよびＹで示されている。
【００２９】
プローブヘッド１８は、ダイアフラム１６の中央で支点２０にカルダン方式で取り付けられ、ダイアフラム１６は同時に待機位置においていわゆるカルダン平面２１を形成している。探針１８はしたがって、矢印２２で示されるように、Ｘ−Ｙ平面内で支点２０のまわりで旋回することができる。
探針１８はその下端にある接触球２４で終わる。
【００３０】
明晰さのために、図１にはＸ−Ｙ測定システムだけを示し、Ｚ測定システムは図示していない。
以下、図２ないし図４Ｂを参照して、プローブヘッド１０を更に詳しく説明する。
探針１８上で、カルダン平面２１よりも少し上方に星形のホルダー３０が配設されているが、これは４本のアーム３２ａないし３２ｄを有し、探針１８から半径方向に突出し、かつ前記探針に固定されている。
【００３１】
アーム３２ａないし３２ｄの自由端には第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄが配設されているが、これらはＸ−Ｙ平面内での支点２０のまわりの探針１８の旋回運動を検出する役割を果たす。
第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄは、アーム３２ａないし３２ｄの自由端に配設された第一の永久磁石３４ａないし３４ｄを有する。第一の永久磁石３４ａないし３４ｄは、ダイアフラム１６の外周部で第一の開口３５ａないし３５ｄを通って突出している。これらと直接対向して、ハウジング１２の軸方向の内壁１４に第一のホール素子３６ａないし３６ｄが配設され、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄと第一のホール素子３６ａないし３６ｄとの間に非常に小さな空隙（エアギャップ）だけが残るようになされている。
【００３２】
探針１８のＺ方向での変位を検出するために、第二のホールセンサー３７ａ、３７ｂが備えられている。前記センサーは、探針１８上に互いに反対側の２つの位置に直接配設されている。第二の永久磁石３８ａ、３８ｂが、ホルダー３０によって支持され、ダイアフラム１６内の第二の開口３９ａ、３９ｂを通って突出している。それに付随する第二のホール素子４０ａ、４０ｂが、ハウジング１２の軸方向の内壁１４から半径方向に突出しているアーム４２ａ、４２ｂの自由端に配設されている。
【００３３】
図３Ａは、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄの磁極ＮおよびＳによって規定される軸４４が、探針１８の軸１９と平行に向けられていることを示す。第二の永久磁石３８ａ、３８ｂについても同様である。
更に、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄがＺ方向に配置され、それらの対称面４５が、探針１８の待機位置において、磁極ＮおよびＳの間で厳密にカルダン平面２１内にあるように配置されている（図１および図３Ａ）。このことは第二の永久磁石３８ａ、３８ｂについても同様である。
【００３４】
第一の永久磁石３４ａないし３４ｄは、全て同じように軸１９の方向に向けられている。図示された実施形態では、Ｎ極は全て上に位置している。それに対して第二の永久磁石３８ａ、３８ｂは、図４Ａおよび図４Ｂに明確に示されるように反対方向に配置されている。
最後に図３Ａには、第一の永久磁石３４ａの第一のホール素子３６ａに面する表面４６が、第一のホール素子３６ａの対向する表面４８と同様に、球形となるように設計され、その曲率半径が支点２０からのそれぞれの表面の距離に厳密に対応するようになされていることが示されている。
【００３５】
図１ないし図４によるプローブヘッド１０の作動は下記のようである。
探針１８が図１、図３Ａおよび図４Ａに示すように待機位置にあるときは、Ｘ−Ｙ平面内での旋回を検出するための第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄと、Ｚ方向内の旋回を検出するための第二のホールセンサー３７ａ、３７ｂの両方に、ゼロ信号が存在する。これは、永久磁石３４ａないし３４ｄおよび３８ａ、３８ｂの磁力線が、それぞれ、それらと位置合わせされたホール素子３６ａないし３６ｄおよび４０ａ、４０ｂを対称形に貫通するからである。
【００３６】
図３Ｂは、探針１８がその待機位置１８から旋回位置１８’に旋回した状態を示し、図３Ｂにおける旋回角度はαで示されている。図３Ｂにおいて、全ての旋回した素子の参照符号にはプライム符号を付して示す。
容易に理解できるように、信号すなわちホール電圧は、ホール素子３６ａ、３６ｃにおいて反対方向に変化するが、その目的のために図５および図６を簡単に参照する。
【００３７】
図５において、５０はハウジングに固定されており、またその上にホールセンサー５１が配設されるベースを示す。後者のホール素子５２はベース５０に恒久的に接続されている。ホール電圧ＵHはホール素子５２の接続部５４で得ることができる。
ホールセンサー５１の永久磁石５６は、わずかな間隔でホール素子５２を横切って移動する。これは、永久磁石５６のＮ極５８とＳ極６０とによって規定される軸６１が運動の方向ｘと一致するように行われる。
【００３８】
図５に示された基本的位置において、永久磁石５６の対称面６２は厳密にホール素子５２の中央に位置している。したがって、これは永久磁石５６の磁力線によって対称的に貫通され、厳密に対称形であるが反対方向に向いている対称面６２の両側でホール素子５２内でホール効果が起きるように、また荷電粒子が同じように、しかし反対方向に移動方向が曲げられるようになされている。
【００３９】
ここで永久磁石５６が軸６１の方向にホール素子５２を超えて左から右に移動すると、図６のグラフ６４で示されるような移動量ｘに対するホール電圧ＵHが端子５４で得られる。
ホール電圧ＵHはゼロ点を通過するときにプラスからマイナスに変わり、ゼロ点の近傍は好適には直線範囲６６として、電圧範囲６８または移動範囲７０内で、ホール電圧ＵHが移動量ｘに対して依存するとみなされるものが設定されている。ホール素子５２が非線形の特性カーブを有する場合は、事前に求めた補正値などにより直線に補正すればよい。
【００４０】
ここで再度、図３Ａおよび図３Ｂで示した状況を考えると、図３Ａおよび図３Ｂによる角度αの純粋に旋回的な運動の場合、第一のホール素子３６ａと第一のホール素子３６ｃとには厳密に反対のホール電圧が現れることが容易に分かる。これは純粋に旋回的な運動が生じたことを示すものである。
図３ＡでΔＺと記され破線および点線で示され、かつ矢印示したように探針１８がその軸１９に沿ってのみ変位させられると、第一のホール素子３６ａと第一のホール素子３６ｃとには同一の信号が現れるが、これらを通常の手段で除外して、旋回の測定に擬似的な値が入り込むのを防ぐことができる。
【００４１】
また図３Ａおよび図３Ｂからは、比較的長いアーム３２ａないし３２ｄにより、第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄの測定点に、探針１８の旋回が大きく伝えられることが分かる。
図４Ａおよび図４Ｂは、Ｚ軸に沿った探針１８の変位の測定に関する状況を示している。図４Ａは、初期状態を示しており、図４Ｂは、探針１８が図４ＢでΔＺと記されたように待機位置１８から１８‘まで変位させられたときの測定状態を示す。
【００４２】
第二の永久磁石３８Ａ、３８Ｂが反対向きに向けられているため、図３Ａおよび図３Ｂを参照して前に述べたものと同じ結果が得られる。測定すべき量、具体的にはＺ方向での探針１８の直線的な変位の場合、２つのホール素子４０ａおよび４０ｂに反対の電圧が現れ、一方、測定すべきでない量、具体的には探針１８の旋回の場合には、同一の信号が生じる。この場合も、信号を望みの信号とそうでない信号とに分離することができる。
【００４３】
Ｚ方向の変位を測定するときに上記のような運動の伝達は起きないので、探針１８の近傍で測定が行われ、これもまた図３Ａおよび図３Ｂに示した状況とは異なる。
最後に、図７はプローブヘッド８０の別の実施形態を示す。
プローブヘッド８０もまた、その中にダイアフラム８６が固定されている内部８４を有するハウジング８２を有する。
【００４４】
ダイアフラム８６は、探針８８を支持しており、探針８８の長手方向の軸が８９で示されている。探針８８もまたダイアフラム８６の中央に吊り下げられ、支点９０とカルダン平面９１とがそこに規定されるようになされている。
ここで円または球面９２は、探針８８の旋回の測定がカルダン平面９１から間隔を保って行われることを示す。
【００４５】
接触球９４は、やはり探針８８の下端に配設されている。
第一のセンサー構成９６は、Ｘ−Ｙ平面内の探針８８の旋回を測定する役割を果たす。第一のセンサー構成９６は、探針８８の半径方向の平面内の板として設計され、後者に固定されている。
第一のホルダー９８の下には第一のホールセンサーが配置され、そのうちの２個、具体的にはホールセンサー９９ａおよび９９ｂだけが図７に示してある。ただしこれらのホールセンサーは４個備えられ、探針８８のまわりに９０°間隔で配置されている。
【００４６】
ホールセンサー９９ａ、９９ｂは、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂを含む。
ハウジング８２の下端には、ハウジング８２の頂部に面する半径方向の内壁１０３をなす第二のホルダー１０２が配置されている。内壁１０３の上には、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂと共に第一のホールセンサー９９ａ、９９ｂを構成する第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂが配設されている。
この場合も１０６は、永久磁石１００ａ、１００ｂまたはホール素子１０４ａ、１０４ｂの互いに対向する表面が、その半径が円または球面９２で決まる球面形状を有することを示す。この場合も、探針８８を支点９０のまわりに旋回させても、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂと第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂとの間の空隙が一定となる。
【００４７】
探針８８の上部領域内には、Ｚ方向における探針８８の変位を測定するための第二のセンサー構成１１０が支点９０と第一のホルダー９８との間に配設されている。
第二のセンサー構成１１０は、探針８８の互いに反対側で軸方向に離して配列された２つのホールセンサー１１１ａ、１１１ｂを含む。第二のホールセンサー１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ第二の永久磁石１１２ａ、１１２ｂおよび第二のホール素子１１４ａ、１１４ｂを含む。後者は、ハウジング８２の内壁８４から半径方向に突出するアーム１１６ａ、１１６ｂの自由端に配設されている。
【００４８】
探針８８が支点９０のまわりに旋回すると、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂが第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂを通過して移動し、図６に対応する信号パターンがこの場合にも得られる。
第二の永久磁石１１２ａ、１１２ｂが第二のホール素子１１４ａ、１１４ｂを通過して移動する場合のＺ方向での探針８８の運動についても、同様のことが言える。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるプローブヘッドの第一の実施形態を側方から見た図２のＩ−Ｉ線に沿った非常に単純化した断面図である。
【図２】図１によるプローブヘッドの内部の、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大した平面図である。
【図３Ａ】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図３Ｂ】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図で、図３Ａと異なる作動位置を示す。
【図４Ａ】図３Ａおよび図３Ｂと同様の図であるが、図２のＩＶ−ＩＶ線による。
【図４Ｂ】図３Ａおよび図３Ｂと同様の図であるが、図２のＩＶ−ＩＶ線による。
【図５】本発明で使用されるホールセンサーの模式的側面図である。
【図６】図５のセンサーにおける移動量に対するホール電圧を示すグラフである。
【図７】図１と同様の図であるが、本発明によるプローブヘッドの第二の実施形態のものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジング内に弾力的に吊り下げられた探針と、前記ハウジングに対する前記探針の片寄りを検出するためのセンサー構成とを備えた座標測定機械用プローブヘッドに関し、前記センサー構成が磁石と前記磁石に近接して配設されたホール素子とを有する少なくとも１つのホールセンサーを有することを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプのプローブヘッドが下記特許文献１に開示されている。
前記既知のプローブヘッドは、シャフトの寸法を求めるために設計されている。これは回転シャフトの外周面に押しつけられた球状のプローブ先端部を有する細長いアームを有する。前記アームは、断面積が減じられた節（セグメント）からなり膜ヒンジの様態で設計された関節構造を有する平行四辺形型構造の一部である。全体の構成は単一部材のように設計されている。前記プローブ先端部を有するアームの運動を電気的に検出可能な信号に変換するために、プローブ先端部によって間接的に動かされるコアが測定コイル内に押し込まれるようになされた誘導センサー構造が利用される。この場合、センサー構造の別の実施形態としてホール素子も提案されている。
【０００３】
前記既知のプローブヘッドは、１次元測定を実行するための専用として提供され、またそれに適したものである。ホール素子の配設の詳細とホール電圧の評価に関しては、何も示されていない。
下記特許文献２には、物体の空間的位置を検出する方法および装置が開示されている。この既知の装置では、この目的のために提案されたホールセンサーなどの４×４個のセンサーの配列が利用される。この場合も、ホール素子の配設の性格とホール電圧の評価とに関しては、それ以上何も示されていない。
【０００４】
下記特許文献３には、３次元測定のために設計された座標測定機械の測定プローブが開示されている。これらの３次元位置測定のために、磁気抵抗センサーが提案されている。この既知のプローブの場合、探針はその極の一方が磁界に依存して抵抗に対向するように位置し、探針の片寄りによって磁極と抵抗との間の間隔が変化させられる。この場合も、一定の空間分解能を実現するために、磁界に感応する複数の抵抗の配列が利用される。
【０００５】
下記特許文献４には、あらゆる方向に片寄ることのできる探針を有するプローブヘッドが開示されている。これもまた、座標測定機械を利用した測定に関するものである。この既知のプローブヘッドの場合、探針の運動を測定および検出するために誘導センサーの配列が利用されているが、これは３つの軸の各々に探針の端の両側に配設された２個の誘導センサーを備えたものである。各誘導センサーは、ブリッジ回路を構成するように接続されている。
【０００６】
下記特許文献５には、はさみ尺が開示されている。この既知のはさみ尺の場合、はしご形の配列がバーの上で利用され、バー上をすべる移動子にホールセンサーが備えられている。ホールセンサーは磁石の近く、具体的にはＮ極とＳ極との間の対称面内に配設され、それにより強磁性による擾乱が存在しない場合は、磁石の磁力線が対称形にホール素子を貫通し、その結果ホール電圧が厳密にゼロとなるように構成されている。もしもホールセンサーを有する移動子がバー上で変位すると、はしご形配列の強磁性の横棒がホールセンサーを通過して磁界をゆがめ、その結果磁力線が非対称にホール素子を貫通し、有限な値のホール電圧が印加される。強磁性の横棒が通過すると、前記ホール電圧は先ずゼロから最小値に低下し、次にゼロを通過した後最大値まで増加し、その後再度ゼロに戻るという事実によって、ホール電圧のパターン（プロファイル）における上記の現象が示される。この信号の変化パターンが閾値ステージに供給され、これが上記の信号の変化パターンからパルスを形成し、その後でパルスをカウントすることによりバー上の移動子の位置が求められる。
【０００７】
下記特許文献６には、可動物体、つまり空圧シリンダー内のピストンの位置を検出する装置が開示されている。この場合も、ゼロ点を通過するホール電圧の上記の変化パターンが、具体的にはホールを磁石が横方向に横切ることにより利用される。この場合も、ホール信号は閾値ステージにより更に処理される。
最後に、下記特許文献７には、ホールセンサーにより可動部品の位置を検出するための別のセンサー構成が開示されているが、上記のホール電圧パターンと閾値ステージを使用して自動車のフロントガラスのワイパーを制御するために、このホールセンサーも同様に磁石で横方向に横切られる。
【０００８】
座標測定機械（下記特許文献８および下記特許文献２）に関する限り、前記既知の構成は、設置状況および信号の評価に関する詳しい特徴の詳細な説明を行わずに、ホールセンサーを提案している。
ゼロ点を通過するホール電圧のパターンを発生する他の応用において、位置を求めるためにホールセンサーが使用される限り（下記特許文献５、下記特許文献６、下記特許文献７および下記特許文献９）、これは全く異なる応用分野に関し、かかる応用は通過する物体の数を数えるか、またはそれにより特定の端部位置を求めるために、変調されたホール信号を閾値ステージによりパルスもしくは矩形信号に変換することに限定される。
【特許文献１】独国特許出願公開第３７２１６８２号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９８２３０５９号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第３７０８１０５号明細書
【特許文献４】独国特許発明第２６２００９９号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３７２０５２４号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９７１２８２９号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第１９６３９８０１号明細書
【特許文献８】独国特許出願公開第３７２１６８１号明細書
【特許文献９】独国特許発明第１９８５８２１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それに対して、本発明の目的は上記の不利益を回避するように、最初に述べたタイプの座標測定機械のためのプローブヘッドを提供することである。特に、座標測定機械における従来の測定用の構成では実現できなかった、低い装置費および低いコストで、３つの座標方向における高分解能の測定を可能にすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、この目的は、磁石のＮ極とＳ極とによって規定されるその軸の方向において磁石の側方をホール素子が通過して、それにより極性が変化するホール電圧をホール素子から取り出すことができ、また極性の変化点付近におけるある範囲のホール電圧が探針の片寄り量として処理されることで特徴づけられる、最初に述べたタイプのプローブヘッドによって達成される。
【００１１】
本発明の目的はこのようにして完全に達成される。
本発明の手段は座標測定機械の分野において初めて、他の応用分野でそれ自体は知られているホールセンサーの構成により、任意の座標方向における探針の片寄りを、高分解能と直線的な信号パターン（プロファイル）で検出することを提案する。ここで一般に座標の各方向について１個のホールセンサーしか必要でないが、以下説明されるように、ある種の用途においては他の理由により２個または４個のホールセンサーを使用することが有利である。
【００１２】
したがって、座標測定機械用の既知のプローブヘッドと異なり、アクティブな（作動中の）測定素子の数が大幅に低減され、前記素子をアレイ状に、つまり多数使用する必要がなくなる。他の応用分野におけるホールセンサーの使用と比較して、移動距離の関数として知られるホール電圧のパターンが、閾値の検出という意味だけでなく評価されるという利点がある。すなわち、本発明は移動距離の関数であるホール電圧のパターンがゼロ通過点の領域において比較的広い範囲にわたって直線的であり、測定値の連続的な検出および処理が可能であるという、従来認識されていなかった事実を利用するものである。
【００１３】
本発明の実施形態において、この範囲は実質的に直線性を有することが好ましい。
この手段は、ホール素子の元来非直線的な特性曲線を、例えば事前に求められている補正値によって直線に補正した場合に、測定値をより単純に処理することが可能になるという利点がある。
本発明によるプローブヘッドの好適な改良においては、それ自体は既知の仕方でハウジング内に平面が規定され、この平面は探針の待機位置において探針の半径方向の平面を形成している。
【００１４】
探針は好適には、前記平面内にある支点のまわりに旋回するようになされ、また前記旋回運動を検出するために、探針には少なくとも１つの第一の磁石が備えられ、ハウジングには少なくとも１つの第一のホール素子が備えられているか、またはその逆でもよい。
この場合、少なくとも１つの第一の磁石の軸が探針の軸と平行となり、かつ探針の待機位置では、その両極の間に規定された対称平面が前記平面内にあるように位置することが特に好適である。
【００１５】
この手段は、測定がこの平面内での探針の旋回に依存しないので、いわゆるＸ−Ｙ平面内での精密な測定が可能になるという利点を有する。
ある具体的な実施形態の場合、探針はダイアフラムにより前記平面内にカルダン方式で吊り下げられ、第一の磁石と第一のホール素子とはダイアフラム内の第一の開口を通って突出している。
【００１６】
この手段は、この目的のために必要とされる素子が障害をもたらすことなく、カルダン平面内でのＸ−Ｙ方向の片寄りを測定できるという利点がある。
この場合、第一の磁石が探針から離れる半径方向に延びるホルダー上に配設され、第一のホール素子がハウジングの軸方向に延びる内壁上に配設されていることが特に好適である。
【００１７】
この手段は、ホルダーの長さに渡って探針の旋回を強化するという利点がある。ここで、ハウジングの内壁上でのホール素子の配置は、ホルダーの最大の長さに対応している。
別の実施形態の一群では、少なくとも１つの第一の磁石がその軸を探針の軸に直交させて配設され、前記第一の磁石は探針から離れる半径方向に延びる第一のホルダーの上に配設され、前記第一のホール素子はハウジングの半径方向に延びる内壁上に配置されている。
【００１８】
この手段は、Ｘ−Ｙ平面内での旋回を検出するために必要な各素子を互いに空間的に離して配置することができ、したがってより単純に実現できるという利点を有する。
本発明の別の実施形態では、ハウジング内に長手方向の軸が規定され、この軸は探針が待機位置にあるときに探針の長手方向の軸と一致し、探針はその長手方向の軸に沿って弾性的に変位可能であり、また探針には少なくとも１つの第二の磁石が備えられ、かつハウジングにはその変位を検出するための少なくとも１つの第二のホール素子が備えられているか、またはその逆でもよい。
【００１９】
この実施形態はいわゆるＺ軸に沿った測定に関するものであり、それは本発明の範囲内で同様に有利な仕方で実行可能である。
このことは特に、探針が平面内にある支点の回りを旋回できるならば常に言えることであり、その場合は第二の磁石はその軸が探針の軸と平行となるように配列され、また探針が待機位置にあるときはその両極の間に規定された対称面が平面内に位置している。
【００２０】
この手段もまた、Ｚ軸のセンサー構成が探針のカルダン平面内に位置する場合でも、非常に精密な測定を実行できるという利点を有する。
この実施形態の実際的な形態では、探針はやはりダイアフラムにより前記平面内にカルダン方式で吊り下げられ、また第二の磁石と第二のホール素子とはダイアフラム内の第二の開口を通って突出する。
【００２１】
この方法はすでに述べた利点を有する。すなわち必要な素子は全て衝突の危険無しにダイアフラムの平面内に配設することができる。
更にＺ軸上の変位を測定するための構成の上記の実施形態において、第二の磁石が探針上に配設され、また第二のホール素子がハウジングの内壁から半径方向に離れるように延びるホルダー上に配設されていることが特に好適である。
【００２２】
この構成は、Ｘ−Ｙ平面内での測定のためにセンサー素子の配列に直接対向する仕方で設計されており、したがって同様に、Ｘ−Ｙ平面内で同時に起きる片寄りをＺ軸上で独立な特に精密な測定を行うことができるという利点を有する。
別の実施形態では、第二の磁石はその軸が探針の軸と平行となるように配設され、探針が待機位置にあるときはその両極の間に規定された対称面が前記平面から間隔を開けるように配置されている。
【００２３】
この手段は一方では測定素子の間隔を開けた配置により、また他方ではカルダン平面の間隔をあけた配置により、単純な構成が可能となるという利点がある。
最後に挙げた実施形態の場合、２つの磁石が互いに軸方向に離間して備えられているという事実により、特に良好な動きが更に得られる。
この手段は、Ｚ軸に沿った変位の方向を信頼性良く検出できるという利点を有する。
【００２４】
最後に、第二の磁石が探針上に配設され、また第二のホール素子がハウジングの内壁から半径方向に離れるように延びるホルダー上に配設されていることが好適である。
この手段は、探針がＸ−Ｙ平面内で同時に旋回していても、Ｚ軸上で精密な測定が可能であるという、すでに述べた利点を有する。
これまでに述べた全ての実施形態において、複数のホールセンサー、特に４つの第一のホールセンサーまたは２つの第二のホールセンサーが、プローブヘッドの周縁部にわたって分布するように配列されていることが特に好適である。
【００２５】
この手段は差動測定が可能である、すなわち例えばＸ−Ｙ平面内での旋回の測定中に、互いに対向して配置されたセンサーにおいて反転する信号の変化のみが検出され、同じ方向における変化はＺ軸に沿った探針の運動から生じるものなので無視され、第一のホールセンサーでは検出されずに第二のホールセンサーで検出されるという利点を有する。
最後に、本発明の範囲内において、旋回の検出に供される少なくとも磁石および／またはホール素子が球面を備えており、その球面の曲率半径が旋回運動の半径に対応していることが特に好適である。
【００２６】
この手段は、ホールセンサーの各素子が互いに相対的に旋回したときに、素子間の空隙が一定のままとなることが有利である。
更に別の利点が、説明および添付図面から理解される。
上で説明した特徴および以下で説明する特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ説明した組み合わせだけでなく、他の組み合わせ、または単独で利用できることは、自明である。
【００２７】
本発明の実施形態が図面で図示され、以下の記述により更に詳しく説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１ないし図４Ｂにおいて、１０は座標測定機械による３次元測定用のプローブヘッド全体を示す。プローブヘッド１０は、軸方向に延びる内壁１４を有するハウジング１２を有する。軸方向の内壁１４の円周面にはダイアフラム１６が固定されている。ダイアフラム１６はその中央で探針１８を支持しているが、その軸１９は図１に示すように探針１８が待機位置にあるときにハウジング１２の長手方向の軸と一致する。更に、軸１９はプローブヘッド１０のＺ軸上にあり、その横方向の軸は通常の仕方でＸおよびＹで示されている。
【００２９】
プローブヘッド１８は、ダイアフラム１６の中央で支点２０にカルダン方式で取り付けられ、ダイアフラム１６は同時に待機位置においていわゆるカルダン平面２１を形成している。探針１８はしたがって、矢印２２で示されるように、Ｘ−Ｙ平面内で支点２０のまわりで旋回することができる。
探針１８はその下端にある接触球２４で終わる。
【００３０】
明晰さのために、図１にはＸ−Ｙ測定システムだけを示し、Ｚ測定システムは図示していない。
以下、図２ないし図４Ｂを参照して、プローブヘッド１０を更に詳しく説明する。
探針１８上で、カルダン平面２１よりも少し上方に星形のホルダー３０が配設されているが、これは４本のアーム３２ａないし３２ｄを有し、探針１８から半径方向に突出し、かつ前記探針に固定されている。
【００３１】
アーム３２ａないし３２ｄの自由端には第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄが配設されているが、これらはＸ−Ｙ平面内での支点２０のまわりの探針１８の旋回運動を検出する役割を果たす。
第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄは、アーム３２ａないし３２ｄの自由端に配設された第一の永久磁石３４ａないし３４ｄを有する。第一の永久磁石３４ａないし３４ｄは、ダイアフラム１６の外周部で第一の開口３５ａないし３５ｄを通って突出している。これらと直接対向して、ハウジング１２の軸方向の内壁１４に第一のホール素子３６ａないし３６ｄが配設され、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄと第一のホール素子３６ａないし３６ｄとの間に非常に小さな空隙（エアギャップ）だけが残るようになされている。
【００３２】
探針１８のＺ方向での変位を検出するために、第二のホールセンサー３７ａ、３７ｂが備えられている。前記センサーは、探針１８上に互いに反対側の２つの位置に直接配設されている。第二の永久磁石３８ａ、３８ｂが、ホルダー３０によって支持され、ダイアフラム１６内の第二の開口３９ａ、３９ｂを通って突出している。それに付随する第二のホール素子４０ａ、４０ｂが、ハウジング１２の軸方向の内壁１４から半径方向に突出しているアーム４２ａ、４２ｂの自由端に配設されている。
【００３３】
図３Ａは、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄの磁極ＮおよびＳによって規定される軸４４が、探針１８の軸１９と平行に向けられていることを示す。第二の永久磁石３８ａ、３８ｂについても同様である。
更に、第一の永久磁石３４ａないし３４ｄがＺ方向に配置され、それらの対称面４５が、探針１８の待機位置において、磁極ＮおよびＳの間で厳密にカルダン平面２１内にあるように配置されている（図１および図３Ａ）。このことは第二の永久磁石３８ａ、３８ｂについても同様である。
【００３４】
第一の永久磁石３４ａないし３４ｄは、全て同じように軸１９の方向に向けられている。図示された実施形態では、Ｎ極は全て上に位置している。それに対して第二の永久磁石３８ａ、３８ｂは、図４Ａおよび図４Ｂに明確に示されるように反対方向に配置されている。
最後に図３Ａには、第一の永久磁石３４ａの第一のホール素子３６ａに面する表面４６が、第一のホール素子３６ａの対向する表面４８と同様に、球形となるように設計され、その曲率半径が支点２０からのそれぞれの表面の距離に厳密に対応するようになされていることが示されている。
【００３５】
図１ないし図４によるプローブヘッド１０の作動は下記のようである。
探針１８が図１、図３Ａおよび図４Ａに示すように待機位置にあるときは、Ｘ−Ｙ平面内での旋回を検出するための第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄと、Ｚ方向内の旋回を検出するための第二のホールセンサー３７ａ、３７ｂの両方に、ゼロ信号が存在する。これは、永久磁石３４ａないし３４ｄおよび３８ａ、３８ｂの磁力線が、それぞれ、それらと位置合わせされたホール素子３６ａないし３６ｄおよび４０ａ、４０ｂを対称形に貫通するからである。
【００３６】
図３Ｂは、探針１８がその待機位置１８から旋回位置１８’に旋回した状態を示し、図３Ｂにおける旋回角度はαで示されている。図３Ｂにおいて、全ての旋回した素子の参照符号にはプライム符号を付して示す。
容易に理解できるように、信号すなわちホール電圧は、ホール素子３６ａ、３６ｃにおいて反対方向に変化するが、その目的のために図５および図６を簡単に参照する。
【００３７】
図５において、５０はハウジングに固定されており、またその上にホールセンサー５１が配設されるベースを示す。後者のホール素子５２はベース５０に恒久的に接続されている。ホール電圧ＵHはホール素子５２の接続部５４で得ることができる。
ホールセンサー５１の永久磁石５６は、わずかな間隔でホール素子５２を横切って移動する。これは、永久磁石５６のＮ極５８とＳ極６０とによって規定される軸６１が運動の方向ｘと一致するように行われる。
【００３８】
図５に示された基本的位置において、永久磁石５６の対称面６２は厳密にホール素子５２の中央に位置している。したがって、これは永久磁石５６の磁力線によって対称的に貫通され、厳密に対称形であるが反対方向に向いている対称面６２の両側でホール素子５２内でホール効果が起きるように、また荷電粒子が同じように、しかし反対方向に移動方向が曲げられるようになされている。
【００３９】
ここで永久磁石５６が軸６１の方向にホール素子５２を超えて左から右に移動すると、図６のグラフ６４で示されるような移動量ｘに対するホール電圧ＵHが端子５４で得られる。
ホール電圧ＵHはゼロ点を通過するときにプラスからマイナスに変わり、ゼロ点の近傍は好適には直線範囲６６として、電圧範囲６８または移動範囲７０内で、ホール電圧ＵHが移動量ｘに対して依存するとみなされるものが設定されている。ホール素子５２が非線形の特性カーブを有する場合は、事前に求めた補正値などにより直線に補正すればよい。
【００４０】
ここで再度、図３Ａおよび図３Ｂで示した状況を考えると、図３Ａおよび図３Ｂによる角度αの純粋に旋回的な運動の場合、第一のホール素子３６ａと第一のホール素子３６ｃとには厳密に反対のホール電圧が現れることが容易に分かる。これは純粋に旋回的な運動が生じたことを示すものである。
図３ＡでΔＺと記され破線および点線で示され、かつ矢印示したように探針１８がその軸１９に沿ってのみ変位させられると、第一のホール素子３６ａと第一のホール素子３６ｃとには同一の信号が現れるが、これらを通常の手段で除外して、旋回の測定に擬似的な値が入り込むのを防ぐことができる。
【００４１】
また図３Ａおよび図３Ｂからは、比較的長いアーム３２ａないし３２ｄにより、第一のホールセンサー３３ａないし３３ｄの測定点に、探針１８の旋回が大きく伝えられることが分かる。
図４Ａおよび図４Ｂは、Ｚ軸に沿った探針１８の変位の測定に関する状況を示している。図４Ａは、初期状態を示しており、図４Ｂは、探針１８が図４ＢでΔＺと記されたように待機位置１８から１８‘まで変位させられたときの測定状態を示す。
【００４２】
第二の永久磁石３８Ａ、３８Ｂが反対向きに向けられているため、図３Ａおよび図３Ｂを参照して前に述べたものと同じ結果が得られる。測定すべき量、具体的にはＺ方向での探針１８の直線的な変位の場合、２つのホール素子４０ａおよび４０ｂに反対の電圧が現れ、一方、測定すべきでない量、具体的には探針１８の旋回の場合には、同一の信号が生じる。この場合も、信号を望みの信号とそうでない信号とに分離することができる。
【００４３】
Ｚ方向の変位を測定するときに上記のような運動の伝達は起きないので、探針１８の近傍で測定が行われ、これもまた図３Ａおよび図３Ｂに示した状況とは異なる。
最後に、図７はプローブヘッド８０の別の実施形態を示す。
プローブヘッド８０もまた、その中にダイアフラム８６が固定されている内部８４を有するハウジング８２を有する。
【００４４】
ダイアフラム８６は、探針８８を支持しており、探針８８の長手方向の軸が８９で示されている。探針８８もまたダイアフラム８６の中央に吊り下げられ、支点９０とカルダン平面９１とがそこに規定されるようになされている。
ここで円または球面９２は、探針８８の旋回の測定がカルダン平面９１から間隔を保って行われることを示す。
【００４５】
接触球９４は、やはり探針８８の下端に配設されている。
第一のセンサー構成９６は、Ｘ−Ｙ平面内の探針８８の旋回を測定する役割を果たす。第一のセンサー構成９６は、探針８８の半径方向の平面内の板として設計され、後者に固定されている。
第一のホルダー９８の下には第一のホールセンサーが配置され、そのうちの２個、具体的にはホールセンサー９９ａおよび９９ｂだけが図７に示してある。ただしこれらのホールセンサーは４個備えられ、探針８８のまわりに９０°間隔で配置されている。
【００４６】
ホールセンサー９９ａ、９９ｂは、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂを含む。
ハウジング８２の下端には、ハウジング８２の頂部に面する半径方向の内壁１０３をなす第二のホルダー１０２が配置されている。内壁１０３の上には、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂと共に第一のホールセンサー９９ａ、９９ｂを構成する第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂが配設されている。
この場合も１０６は、永久磁石１００ａ、１００ｂまたはホール素子１０４ａ、１０４ｂの互いに対向する表面が、その半径が円または球面９２で決まる球面形状を有することを示す。この場合も、探針８８を支点９０のまわりに旋回させても、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂと第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂとの間の空隙が一定となる。
【００４７】
探針８８の上部領域内には、Ｚ方向における探針８８の変位を測定するための第二のセンサー構成１１０が支点９０と第一のホルダー９８との間に配設されている。
第二のセンサー構成１１０は、探針８８の互いに反対側で軸方向に離して配列された２つのホールセンサー１１１ａ、１１１ｂを含む。第二のホールセンサー１１１ａ、１１１ｂはそれぞれ第二の永久磁石１１２ａ、１１２ｂおよび第二のホール素子１１４ａ、１１４ｂを含む。後者は、ハウジング８２の内壁８４から半径方向に突出するアーム１１６ａ、１１６ｂの自由端に配設されている。
【００４８】
探針８８が支点９０のまわりに旋回すると、第一の永久磁石１００ａ、１００ｂが第一のホール素子１０４ａ、１０４ｂを通過して移動し、図６に対応する信号パターンがこの場合にも得られる。
第二の永久磁石１１２ａ、１１２ｂが第二のホール素子１１４ａ、１１４ｂを通過して移動する場合のＺ方向での探針８８の運動についても、同様のことが言える。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるプローブヘッドの第一の実施形態を側方から見た図２のＩ−Ｉ線に沿った非常に単純化した断面図である。
【図２】図１によるプローブヘッドの内部の、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大した平面図である。
【図３Ａ】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図３Ｂ】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図で、図３Ａと異なる作動位置を示す。
【図４Ａ】図３Ａおよび図３Ｂと同様の図であるが、図２のＩＶ−ＩＶ線による。
【図４Ｂ】図３Ａおよび図３Ｂと同様の図であるが、図２のＩＶ−ＩＶ線による。
【図５】本発明で使用されるホールセンサーの模式的側面図である。
【図６】図５のセンサーにおける移動量に対するホール電圧を示すグラフである。
【図７】図１と同様の図であるが、本発明によるプローブヘッドの第二の実施形態のものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１２；８２）内に弾力性をもって吊り下げられた探針（１８；８８）と、前記ハウジング（１２；８２）に対する前記探針（１８；８８）の片寄り（α、ΔＺ）を検出するためのセンサー構成（２６；９６，１１０）とを備えた座標測定機械用のプローブヘッドであって、
前記センサー構成（２６；９６，１１０）が磁石（３４，３８，５６；１００，１１２）と前記磁石に近接して配設されたホール素子（３６，４０；５２；１０４，１１４）とを有する少なくとも１つのホールセンサー（３３，３７，５１；９９，１１１）を有し、
前記磁石（３４）が、そのＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）とによって規定される軸の方向において、前記ホール素子（３６）によって側方を通過され、その結果極性の変化するホール電圧（ＵH）が前記ホール素子（３６，４０；５２；１０４，１１４）で得られ、また極性が反転する点付近におけるホール電圧（ＵH）の範囲（６６，６８，７０）が前記探針（１８；８８）の前記片寄りを表す量として処理されるプローブヘッド。
【請求項２】
前記範囲（６６，６８，７０）が実質的に直線性を有する、請求項１記載のプローブヘッド。
【請求項３】
前記ハウジング（１２；８２）内に平面（２１；９１）が規定され、この平面が前記探針（１８；８８）の待機位置における前記探針（１８；８８）の半径方向の平面を形成している、請求項１または２記載のプローブヘッド。
【請求項４】
前記探針（１８；８８）が前記平面（２１；９１）内にある支点（２０；９０）のまわりに旋回（Ｘ、Ｙ）するようになされ、前記旋回を検出するために、前記探針（１８；８８）には少なくとも１つの第一の磁石（３４；１００）が備えられ、かつ前記ハウジング（１２，８２）には少なくとも１つのホール素子（３６；１０４）が備えられているか、またはその逆の構成である、請求項３記載のプローブヘッド。
【請求項５】
少なくとも１つの第一の磁石（３４）が、その軸（４４）を前記探針（１８）の軸（１９）と平行になるように配設され、前記探針（１８）が前記待機位置にあるときは、その両極の間に規定されるその対称面（４５）が前記平面（２１）内にあるように位置している、請求項４記載のプローブヘッド。
【請求項６】
前記探針（１８）が前記平面（２１）内にあるダイアフラム（１６）によってカルダン方式で吊り下げられ、かつ前記第一の磁石（３４）と前記第一のホール素子（３６）とが前記ダイアフラム（１６）内の第一の開口（３５）から突出している、請求項５記載のプローブヘッド。
【請求項７】
前記探針（１８）から半径方向に延びるホルダー（３０）上に、前記第一の磁石（３４）が配設されており、また前記第一のホール素子（３６）が前記ハウジング（１２）の軸方向に延びる内壁（１４）上に配設されている、請求項４ないし６のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項８】
少なくとも１つの第一の磁石（１００）が、その軸と前記探針（８８）の軸（８９）とが直交するように配設され、前記第一の磁石（１００）が前記支点（９０）から軸方向に間隔をおいて、前記探針（８８）から離れるように半径方向に延びる第一のホルダー（９８）上に配設され、かつ前記第一のホール素子（１０４）が前記ハウジング（８２）の半径方向に延びる内壁（１０３）上に配置されている、請求項４記載のプローブヘッド。
【請求項９】
前記探針（１８；８８）の前記待機位置において、前記探針（１８；８８）の長手方向の軸（１９；８９）と一致する長手方向の軸（Ｚ）が前記ハウジング（１２；８２）内に規定され、前記探針（１８；８８）がその長手方向の軸（１９；８９）に沿って弾性的に変位可能であり、前記旋回を検出するために、前記探針（１８；８８）には少なくとも１つの第二の磁石（３８；１１２）が備えられ、かつ前記ハウジング（１２，８２）には少なくとも１つの第二のホール素子（４０；１１４）が備えられているか、またはその逆の構成である、請求項３記載のプローブヘッド。
【請求項１０】
前記探針（１８）が前記平面（２１）内にある支点（２０）のまわりに旋回（Ｘ，Ｙ）するようになされ、前記第二の磁石（３８）はその軸が前記探針（１８）の前記軸（１９）と平行になるように配設され、前記探針（１８）の前記待機位置においてはその両極の間に規定されるその対称面が前記平面（２１）内にあるように位置している、請求項９記載のプローブヘッド。
【請求項１１】
前記探針（１８）がダイアフラム（１６）によって前記平面（２１）内にカルダン方式で吊り下げられており、また前記第二の磁石（３８）と前記第二のホール素子（４０）とが前記ダイアフラム（１６）内の第二の開口（３９）から突出している、請求項１０記載のプローブヘッド。
【請求項１２】
前記第二の磁石（３８）が前記探針（１８）上に配設されており、前記第二のホール素子（４０）が前記ハウジング（１２）の内壁（１４）から離れるように半径方向に延びるホルダー（４２）上に配設されている、請求項９ないし１１のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１３】
前記第二の磁石（１１２）が、その軸と前記探針（８８）の軸（８９）とが平行になるように配設され、前記探針（１８）の前記待機位置においては、その両極の間に規定される対称面が前記平面（２１）から距離をおいて配置されている、請求項９記載のプローブヘッド。
【請求項１４】
２個の第二の磁石（１１２ａ、１１２ｂ）が軸方向に互いに距離をおいて備えられている、請求項１３記載のプローブヘッド。
【請求項１５】
前記第二の磁石（１１２）が前記探針（８８）上に配設されており、また前記第二のホール素子（１１４）が前記ハウジング（８２）の内壁（８４）から離れるように半径方向に延びるホルダー（１１６）上に配設されている、請求項１３または１４記載のプローブヘッド。
【請求項１６】
複数の前記ホールセンサー（３３，３７；９９，１１１）が前記プローブヘッド（１０；８０）の周縁部にわたって分布するように配設されている、請求項１ないし１５のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１７】
４個の第一のホールセンサー（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ；９９ａ，９９ｂ）が前記周縁部にわたって分布して配設されている、請求項１６記載のプローブヘッド。
【請求項１８】
２個の第二のホールセンサー（３７ａ，３７ｂ；１１１ａ，１１１ｂ）が前記周縁部にわたって分布して配設されている、請求項１６または１７記載のプローブヘッド。
【請求項１９】
旋回を検出するための少なくとも磁石（３４；１００）および／またはホール素子（３６；１０４）が球面（４６，４８；１０６）を備え、前記表面（４６，４８；１０６）の曲率半径が前記旋回運動の半径に対応している、請求項１ないし１８のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１】
ハウジング（１２；８２）内に弾力性をもって吊り下げられた探針（１８；８８）と、前記ハウジング（１２；８２）に対する前記探針（１８；８８）の片寄り（α、ΔＺ）を検出するためのセンサー構成（２６；９６，１１０）とを備えた座標測定機械用のプローブヘッドであって、
前記センサー構成（２６；９６，１１０）が磁石（３４，３８，５６；１００，１１２）と前記磁石に近接して配設されたホール素子（３６，４０；５２；１０４，１１４）とを有する少なくとも１つのホールセンサー（３３，３７，５１；９９，１１１）を有し、
前記磁石（３４）が、そのＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）とによって規定される軸の方向において、前記ホール素子（３６）によって側方を通過され、その結果極性の変化するホール電圧（ＵH）が前記ホール素子（３６，４０；５２；１０４，１１４）で得られ、また極性が反転する点付近におけるホール電圧（ＵH）の範囲（６６，６８，７０）が前記探針（１８；８８）の前記片寄りを表す量として処理されるプローブヘッド。
【請求項２】
前記範囲（６６，６８，７０）が実質的に直線性を有する、請求項１記載のプローブヘッド。
【請求項３】
前記ハウジング（１２；８２）内に平面（２１；９１）が規定され、この平面が前記探針（１８；８８）の待機位置における前記探針（１８；８８）の半径方向の平面を形成している、請求項１または２記載のプローブヘッド。
【請求項４】
前記探針（１８；８８）が前記平面（２１；９１）内にある支点（２０；９０）のまわりに旋回（Ｘ、Ｙ）するようになされ、前記旋回を検出するために、前記探針（１８；８８）には少なくとも１つの第一の磁石（３４；１００）が備えられ、かつ前記ハウジング（１２，８２）には少なくとも１つのホール素子（３６；１０４）が備えられているか、またはその逆の構成である、請求項３記載のプローブヘッド。
【請求項５】
少なくとも１つの第一の磁石（３４）が、その軸（４４）を前記探針（１８）の軸（１９）と平行になるように配設され、前記探針（１８）が前記待機位置にあるときは、その両極の間に規定されるその対称面（４５）が前記平面（２１）内にあるように位置している、請求項４記載のプローブヘッド。
【請求項６】
前記探針（１８）が前記平面（２１）内にあるダイアフラム（１６）によってカルダン方式で吊り下げられ、かつ前記第一の磁石（３４）と前記第一のホール素子（３６）とが前記ダイアフラム（１６）内の第一の開口（３５）から突出している、請求項５記載のプローブヘッド。
【請求項７】
前記探針（１８）から半径方向に延びるホルダー（３０）上に、前記第一の磁石（３４）が配設されており、また前記第一のホール素子（３６）が前記ハウジング（１２）の軸方向に延びる内壁（１４）上に配設されている、請求項４ないし６のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項８】
少なくとも１つの第一の磁石（１００）が、その軸と前記探針（８８）の軸（８９）とが直交するように配設され、前記第一の磁石（１００）が前記支点（９０）から軸方向に間隔をおいて、前記探針（８８）から離れるように半径方向に延びる第一のホルダー（９８）上に配設され、かつ前記第一のホール素子（１０４）が前記ハウジング（８２）の半径方向に延びる内壁（１０３）上に配置されている、請求項４記載のプローブヘッド。
【請求項９】
前記探針（１８；８８）の前記待機位置において、前記探針（１８；８８）の長手方向の軸（１９；８９）と一致する長手方向の軸（Ｚ）が前記ハウジング（１２；８２）内に規定され、前記探針（１８；８８）がその長手方向の軸（１９；８９）に沿って弾性的に変位可能であり、前記旋回を検出するために、前記探針（１８；８８）には少なくとも１つの第二の磁石（３８；１１２）が備えられ、かつ前記ハウジング（１２，８２）には少なくとも１つの第二のホール素子（４０；１１４）が備えられているか、またはその逆の構成である、請求項３記載のプローブヘッド。
【請求項１０】
前記探針（１８）が前記平面（２１）内にある支点（２０）のまわりに旋回（Ｘ，Ｙ）するようになされ、前記第二の磁石（３８）はその軸が前記探針（１８）の前記軸（１９）と平行になるように配設され、前記探針（１８）の前記待機位置においてはその両極の間に規定されるその対称面が前記平面（２１）内にあるように位置している、請求項９記載のプローブヘッド。
【請求項１１】
前記探針（１８）がダイアフラム（１６）によって前記平面（２１）内にカルダン方式で吊り下げられており、また前記第二の磁石（３８）と前記第二のホール素子（４０）とが前記ダイアフラム（１６）内の第二の開口（３９）から突出している、請求項１０記載のプローブヘッド。
【請求項１２】
前記第二の磁石（３８）が前記探針（１８）上に配設されており、前記第二のホール素子（４０）が前記ハウジング（１２）の内壁（１４）から離れるように半径方向に延びるホルダー（４２）上に配設されている、請求項９ないし１１のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１３】
前記第二の磁石（１１２）が、その軸と前記探針（８８）の軸（８９）とが平行になるように配設され、前記探針（１８）の前記待機位置においては、その両極の間に規定される対称面が前記平面（２１）から距離をおいて配置されている、請求項９記載のプローブヘッド。
【請求項１４】
２個の第二の磁石（１１２ａ、１１２ｂ）が軸方向に互いに距離をおいて備えられている、請求項１３記載のプローブヘッド。
【請求項１５】
前記第二の磁石（１１２）が前記探針（８８）上に配設されており、また前記第二のホール素子（１１４）が前記ハウジング（８２）の内壁（８４）から離れるように半径方向に延びるホルダー（１１６）上に配設されている、請求項１３または１４記載のプローブヘッド。
【請求項１６】
複数の前記ホールセンサー（３３，３７；９９，１１１）が前記プローブヘッド（１０；８０）の周縁部にわたって分布するように配設されている、請求項１ないし１５のいずれかに記載のプローブヘッド。
【請求項１７】
４個の第一のホールセンサー（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ；９９ａ，９９ｂ）が前記周縁部にわたって分布して配設されている、請求項１６記載のプローブヘッド。
【請求項１８】
２個の第二のホールセンサー（３７ａ，３７ｂ；１１１ａ，１１１ｂ）が前記周縁部にわたって分布して配設されている、請求項１６または１７記載のプローブヘッド。
【請求項１９】
旋回を検出するための少なくとも磁石（３４；１００）および／またはホール素子（３６；１０４）が球面（４６，４８；１０６）を備え、前記表面（４６，４８；１０６）の曲率半径が前記旋回運動の半径に対応している、請求項１ないし１８のいずれかに記載のプローブヘッド。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００６−５０４０８５（Ｐ２００６−５０４０８５Ａ）
【公表日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５４５８６６（Ｐ２００４−５４５８６６）
【出願日】平成１５年１０月１６日（２００３．１０．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００３／０１１４７３
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３８３２４
【国際公開日】平成１６年５月６日（２００４．５．６）
【出願人】（５０４２６２８８９）カール ツァイス インドゥストリーレ メステクニーク ゲーエムベーハー (11)
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅ Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１０月１６日（２００３．１０．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００３／０１１４７３
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３８３２４
【国際公開日】平成１６年５月６日（２００４．５．６）
【出願人】（５０４２６２８８９）カール ツァイス インドゥストリーレ メステクニーク ゲーエムベーハー (11)
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅ Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
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