自己動力供給式座標プローブ
【課題】自立型発電システムを備えた工作物表面上の点の座標を測定する工作機械または座標測定機械用の座標測定プローブを提供する。
【解決手段】工作機械１２の回転スピンドル１５に連結可能とし、巻線２０を伴う固定子１８との関係において相対的に回転する駆動要素であるフライホイール２８および永久磁石１９を担持した回転子１７を有する発電機１６を備え、工作機械１２の回転スピンドル１５を作動させることで発電機１６が電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する。
【解決手段】工作機械１２の回転スピンドル１５に連結可能とし、巻線２０を伴う固定子１８との関係において相対的に回転する駆動要素であるフライホイール２８および永久磁石１９を担持した回転子１７を有する発電機１６を備え、工作機械１２の回転スピンドル１５を作動させることで発電機１６が電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用工作機械または座標測定機械と共に使用することを目的とし、特にコンピュータによる数値制御（ＣＮＣ）式工作機械の中で使用するように適合された測定用プローブに関するものである。
特に、本発明は、工作物上での測定目的で使用するための自己動力供給式ツールを扱っている。
【背景技術】
【０００２】
工作物上でさまざまな機械加工または測定作業を実施するために異なるタイプのツールを自動的に交換する能力を有する機械は、かなり広く普及しており、当該技術分野において周知である。
モジュール式ツールは解除可能な形で単純に機械に固定されており、これにより、各々の特定の作業について特定の機械を使用しなくてすむようになっている。
【０００３】
かかるツールが電気回路を有している場合、回路に対し電源を具備する必要があり、そうでなければツールとツールサポートとの間に少なくとも一定の形態の解除可能な電気接続を想定する必要がある。
【０００４】
モジュール式プローブヘッドは往々にして標準的なツールホルダー上、例えばモールステーパーシャンク上に組立てられており、そしてこれがあらゆる種類の測定および寸法制御を実施するようにスピンドルまたは回転軸工作機械に解除可能な形で連結される。
これは、フライス加工、中ぐりまたはその他のあらゆる機械加工作業といったような加工作業が工作物に対して実施される前に行われることが多い。
このようなモジュール式プローブヘッドは、例えば工作物の適切な位置づけを確保するように、または機械加工作業の開始前にその寸法が許容可能な範囲内にあることをチェックするように作られている。
【０００５】
かかるプローブヘッド用の電源は、プローブハウジングが取付けられているシャンクが通常いかなる電気エネルギー源または電気接続も含まないことから、問題となることが多い。
プローブが回転軸に連結される場合、ほぼ必ずそうであるように、そのときプローブにはいかなる電線も接続することができなくなり、電源に関するかぎりは、これは完全に自立していなければならない。
【０００６】
測定作業を行なうため、そして場合によっては機械制御ユニットに情報を伝送するためにも、プローブヘッドに対しエネルギーを供給する目的で内蔵バッテリが通常用いられる。
しかしながら、バッテリの寿命には限界があることから、それらを定期的に再充電しかつ／または手作業で交換することが必要であり、これは綿密で時間のかかるものである。
【０００７】
バッテリの代替物として、この電力供給の問題を解決するため、発電機によって機械的エネルギーを電気エネルギーに転換するさまざまなシステムが提案されてきた。
【０００８】
米国特許第５５６４８７２号明細書は、電気機械的変換器として流体の圧縮空気の補給を受ける内蔵式流体タービンを用いた無線プローブについて記述している。
同様にして、米国特許第４７１６６５７号明細書および米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書は、電力を生成するため加圧流体の供給を受けるタービンが具備された測定プローブを開示している。
【０００９】
これらの解決法には、流体流を運ぶための密閉ダクトと同様に、流体の漏出または圧力損失を回避するために組立て時点におけるツールサポートとプローブとの精密な封止が必要とされる。
これは容易に実現できることではなく、ツールホルダーの特殊な設計が関与する。
大部分の場合において、流体導路（例えば切削液ライン）に対するプローブの連結は、仮に可能である場合、手作業でかつ個別に実施されなくてはならない。
【００１０】
発電についてのもう一つの解決法は、特開平３−２２３６０２号公報によって開示されており、これにおいては、工作機械のスピンドルは、プローブのハウジングが工作機械のヘッドの非回転要素に固定されている一方で、プローブ内の発電機を直接回転駆動させる。
これには、標準的なテーパーシャンクに加えて第二の機械的連結が必要であり、かくして、一つの工作作業からもう一つの作業へ移行する場合にツールの迅速で容易な交換が妨げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、上述の制限が全て無い、電気回路を有するモジュール式プローブヘッド用の自立型発電システムに対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従うと、これらの目的は、独立請求項の特徴をもつ発電方法およびタッチプローブを用いて達成される。
好ましい実施形態は、従属請求項の中で規定されている。
特に、これらの目的は、工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、工作物の表面上の点の座標を測定するための電気または電子回路を使用する座標センサ、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機、を含む工作機械用の座標プローブによって達成されるのであって、該座標プローブは、発電機の固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機により特徴づけられている。
【００１３】
提案されている解決法は、第一に、電力消費に関してシステム全体の効率を改善する。
機械によりすでに生成されたエネルギーを変換し、それを貯蔵しもう一つの形態に再利用することで、実際にあらゆる付加的なエネルギー源を使用せずにすませることができるようになり、さらに、機械側ではいかなる電力自立性の問題にも遭遇しないことから、プローブ上に送出される機械エネルギーは理論的には制約がない。
したがって、一次エネルギー源としてのフライホイールの使用は、システムの既存の機械エネルギーを発電へと向ける上でのこのエネルギーの作用を最大限にする。
【００１４】
開示されている解決法のもう一つの利点は、さまざまな作業目的のために利用可能な自立式の電源を有するモジュール式タッチプローブに対する汎用解決法を提供するということにある。
取付けたプローブのハウジング内部で独立して生成される運動エネルギーを使用することから、それを工作機械に連結するためにいかなる特殊な設計または調整装置も必要とせず、つまりこの解決法はどのような規格通りの支持用工具にも適合する。
【００１５】
提供される解決法のさらなる利点は、その使用が便利で簡単であること、ならびにその動作がほぼメンテナンスを必要としないことにある。
【００１６】
本発明は、例として与えられる図によって例示されている実施形態についての記述を用いてより良く理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの断面図を示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの斜視図を示す。
【図３】本発明の好ましい実施形態に従った発電ユニットの平面図を示す。
【図４】本発明の変形実施形態に従った発電ユニットを示す。
【図５】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図６】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図７】本発明のもう一つの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施形態および使用例に従ったプローブ１１の断面を例示している。
我々は、単純さを期して、プローブ１１が三本の線形軸ＸＹＺと回転スピンドル１５を有する従来のＣＮＣフライス加工機において使用されるものと仮定するが、これは本発明を制限するものではなく、本発明は全ての様式の工作機械１２において使用することのできるものであると理解すべきである。
【００１９】
図示された実施例においては、プローブ１１は、使用されている工作機械と適合性のある標準的なテーパーシャンク１３を含むホルダーを介して工作機械１２の回転スピンドル１５に解除可能な形で固定されている。
図中、テーパーは単純さを期して、プローブと一体化されているものとして描かれている。
しかしながら、本発明のプローブは、特定の連結形式に制限されないことを理解すべきである。
テーパーシャンクは、一般に、異なる機械との相互動作を可能にするため、離脱可能なツールホルダーの一部を成すものとする。
回転スピンドル１５は、回転スピンドル１５からプローブを取外し、それに導入する方向も同様に規定している回転軸１４を中心として、回転駆動される。
【００２０】
工作機械１２に作業用ツールを固定するための上述のクランプ機構は、きわめて広く用いられている。
したがって、プローブ１１のテーパーシャンク１３は、好ましくは、規格通りの工作機械１２と相互動作するためにいかなる特定の設計も必要としない。
本発明に従った締結システムは、工作機械１２のＸＹＺ軸を適切にプログラミングすることにより３次元測定空間内の任意の位置でプローブ１１を移動させることのみならず、工作機械の回転スピンドル１５と共にプローブ１１を回転駆動することを可能にする。
この回転駆動の特長を有するプローブを、解除可能な形で連結するためのあらゆるシステムが、本発明に適するものであることがわかる。
【００２１】
テーパーシャンク１３の反対側の端部において、プローブハウジング２７は、タッチトリガによるプローブ１１といったような表面検知および／または測定用装置を支持しており、該プローブは、接触検出回路２２に結合された細長いプローブスタイラス２６を含み、好ましくは接触検出回路自体が、測定結果を遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送しかつ／または測定プロセスのための命令を受信するために遠隔測定システムユニット２４に結合されている。
プローブスタイラス２６が偏向した場合、接触検出回路２２の電気的接触２３が破断すると直ちに電気信号がトリガされる。
しかしながら、本発明は、この特定の種類のプローブに限定されるわけではなく、測定中の工作物の表面上の点の座標の尺度を生成する、アナログプローブおよび例えばレーザープローブといった非接触プローブも利用することができる。
【００２２】
適切に符号化された測定座標は、次に、無線データ伝送のため遠隔測定システムユニット２４に転送され得る。
データ伝送は、例えば赤外線を介した光学または無線周波数伝送を通して、または例えばブルートゥース技術または短距離伝送のために用いられるあらゆる無線技術を用いて、例示された通りの無線伝送リンク３４で実施可能である。
好ましいのは、低出力伝送システムである。
より高い帯域幅および／またはより長い距離が必要とされる場合には、ＷＬＡＮといったようなその他の無線データ伝送技術もまた想定できる。
好ましくは、遠隔測定システムユニット２４の入出力インタフェースは、電力節約のため定期的にオフ切換えされ得、または、デフォルトによりアイドル状態にされ得、予め定められたタイムスロットの間のみ伝送するように準備完了状態となり得る。
ＧＰＲＳまたはＥＤＧＥといったような、その他の無線伝送技術もまた考慮可能である。
また以上で言及された無線技術リストは、網羅的なものではない。
【００２３】
接触検出回路２２および／または遠隔測定システムユニット２４のための電力は、主として発電機１６により供給される。
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、発電機１６の回転子１７は、この実施形態に従って、プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホール２８である駆動要素より下に設置されている。
これには、プローブハウジング２７の回転とは独立して角速度を維持するために充分な慣性モーメントが提供される。
フライホイール２８は、例えば、発電機１６の回転軸に連結可能なアド・オンモジュールであり得、したがって、既存の発電モジュール１６を用いて拡張可能性を改善できる。
【００２４】
回転子１７は、固定子１８と回転子１７の間に相対的回転が存在する場合に、固定子１８の巻線２０内に誘導電流を流すための永久磁石１９を担持する。
【００２５】
本発明のプローブ１１は、工作機械のスピンドル上に組立てられ、したがって高速で回転していてよい。
本発明の実施形態においては、固定子および回転子の両方が同時に回転してよく、その他の実施形態では、回転子が静止している間、発電機の固定子は回転していてよい。
したがって「固定子」および「回転子」という用語は、任意の特定の基準座標系内での絶対的静止または絶対的回転を表わすものとみなされるべきではなく、相対的な意味をもつとみなされるべきである。
エネルギー生成サイクルの一例について、ここで記述する。
ＣＮＣ機械の回転スピンドル１５が最初に起動され、プローブハウジング２７を回転させる。
フライホイール２８は、その高い慣性モーメントのため、プローブハウジング２７の運動に追従しない。
プローブハウジングに固定された基準座標系内においてシステムを考慮すると、発電機１６では回転子１７とフライホイール２８が反対方向に相対的に回転するのが「見られる」。
【００２６】
スピンドルが回転し続けるかぎり、好ましくは低摩擦軸受上に組立てられるフライホイールは、かなり長時間にわたり（プローブハウジング２７との関係において）回転し続けると考えられる。
また一方、回転子の永久磁石１９は、固定子の巻線２０の中に起電力を誘起する。
ここで電流が巻線内を循環して正味正電力を発生させたならば、電気制動が結果として起こり、フライホイールは（プローブハウジングに固定された基準座標系内で）ハウジングの角速度に到達し、その運動エネルギーは電気エネルギーに転換される。
【００２７】
フライホイール２８の回転速度がひとたびハウジングの回転速度と等しくなったならば、回転スピンドル１５、そしてそれと共にプローブハウジング２７が停止させられるかもしれない。
このとき、フライホイール２８は、発電機１６の固定子との関係においてスピンドルの初期回転方向で回転するのが見られる。
ここでもまた、フライホイール２８が再びハウジングの角速度となるまで、フライホイール２８の運動エネルギーを電気エネルギーへと転換することができる。
記述されたエネルギー生成サイクルは、必要な回数だけ反復可能である。
【００２８】
記述された実施形態は、スピンドルの角加速または角減速が存在する場合は常に、そしてスピンドル速度の突然の変化後の過渡期において、電気エネルギーを生成するためにフライホイール２８の慣性を活用する。
スピンドルが恒常な角速度で回転しフライホイールが同じ速度で回転する場合、エネルギーを生成することは全くできない。
【００２９】
同様に、もう一つの変形形態に従うと、スピンドルの回転を単に停止させるのではなく、むしろそれを反転させ、かくして固定子との関係におけるフライホイールの回転速度を倍加させることも可能である。
反転は、エネルギーを持続的に生成するように周期的に反復させることができる。
所与の毎分回転数（ｒｐｍ）についてより多くの運動エネルギーが貯えられることができることを意味する、フライホイール２８の慣性モーメントの上昇のために、フライホイール２８用に選ばれる材料は、例えば、鉄、白金、タングステン、鉛などといったあらゆる重金属など、可能なかぎり重くなるように選択されるべきである。
一方、発電機１６のサイズを縮小させその出力を増大させるためには、永久磁石１９を、好ましくは、例えばサマリウムコバルト磁石またはＮＩＢ（ネオジム−鉄−ホウ素）磁石などの高磁気エネルギー積を有する希土類永久磁石とするべきである。
【００３０】
発電機１６は、上述の接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４のいずれかに対し、そしてより一般的には遠隔測定システムユニットおよび／または座標のプローブ１１の入出力の遠隔測定システムユニット２４の電気または電子いずれかの回路部分に対して電力を供給することができる。
給電は、フライホイール２８とプローブハウジング２７との間の相対回転速度がゼロでない場合は常に、すなわち回転子１７が固定子１８との関係において実際に回転している場合に行なわれる。
これは、例えばプローブハウジング２７が、加速または減速されるときなどに起こる。
【００３１】
当該技術分野において公知の解決法で通常提供される空気圧システムとは異なり、固定子１８との関係における回転子１７の相対的回転を与えるのに慣性の効果が用いられることから、工作機械とプローブの間にはいかなる気密機構も必要とされない、ということがわかる。
その結果、プローブ１１を、より容易かつ迅速に組立て、交換することができる。
【００３２】
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、プローブ１１は、さらに、発電機１６により生成される電圧を増幅し、接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４を適切に作動させるのに許容可能なレベルまで電圧を上昇させることを目的として、電圧変換器２５といったようなもう一つの電気回路を含んでいる。
電気回路を作動させるのに許容可能なレベルというのは、通常少なくとも３〜４ボルト前後になる。
電圧変換器は、半導体電圧増幅器または、入力電圧よりも高い出力電圧を供給することができるあらゆる半導体交流／直流変換器であり得る。
その結果として、前記発電機１６によって生成される電圧よりも高い直流電圧を発生させることができる。
電圧変換器２５は、好ましくは、発電機１６の出力端と伝送および受信段階のためにより大きい電圧が必要である遠隔測定システムユニット２４の入力端との間に設置される。
直流電圧へと発電機１６の出力を変換するステップは、必要な場合は常に、そしてそれを要求し得る電気または電子回路である接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４いずれのためにでも、より高い直流電圧状態で実施可能である。
【００３３】
プローブヘッド１１が、いかなるエネルギー貯蔵機構も備えていないことも考えられる。
しかしこの場合、測定作業および／またはデータ伝送作業が実施されている間、エネルギーを生成する必要があり、これは大きな制約である。
発電機１６により供給された電力を貯蔵するために、プローブ１１の内部にエネルギー貯蔵ユニット３２を具備することが望ましい。
このとき、エネルギー発生サイクルは、間隔をおいてのみ、そして好ましくは実際の測定中以外の時に実行される必要がある。
【００３４】
エネルギー貯蔵ユニット３２は、プローブ内部で接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４に電力を供給するための一次エネルギー源として役立ち、発電機１６がオフ切換えされている場合にのみ使用され得る。
このユニットは同様に、発電機１６が動作している間および／またはプローブ１１が測定目的で使用されている間に発電機１６により生成された余剰分のエネルギーを貯蔵する補助エネルギー源またはバッファとしても使用可能である。
したがってこのようなエネルギー貯蔵ユニット３２は、発電機１６と交替で、または発電機１６と組み合わせた形で使用することができ、こうして、より大きな運転柔軟性が得られる。
こうして例えば、プローブのいずれの部分の回転も全く必要とせずに許容可能な測定時間だけ測定を実施すること、そしてより一般的には、絶対的に必要な場合にのみ発電機の作動を要求することが可能になる。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態に従うと、エネルギー貯蔵ユニット３２は、生成された電気エネルギーを貯蔵し、そして例えば充電式蓄電池またはバッファコンデンサである。
この目的では、貯蔵特性がより優れていることから電気化学二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を使用してよい。
【００３６】
プローブ１１に電気エネルギーを供給するためのメンテナンス必要条件を最小限におさえる目的で、電力の欠如が検出された場合は常に、貯蔵用手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２の充電プロセスを自動化することを想定することができる。
このために、任意の所与の時点で利用可能な貯蔵エネルギーの量を標示する目的で、エネルギー貯蔵ユニット３２に対しエネルギー計量ユニット３３を結合させることができる。
好ましくは、このエネルギー計量ユニット３３は、遠隔測定システムユニット２４にもまた結合され、ひとたび最低の電力レベルに達した時点で制御ユニット（図示せず）に対する警告信号の送信をトリガすることができる。
このような警告信号を受信した時点で、制御ユニットは、発電機１６をオン切換えするべく、回転軸１４を中心とした工作機械の回転スピンドル１５を回転させ、かくして充分なエネルギーを供給し貯蔵手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２内に貯蔵できるようにする。
工作機械１２の回転軸１４を駆動させ運動エネルギーを電気エネルギーに転換するステップは、所望のエネルギーレベルを達成するのに必要な回数だけ反復できる。
【００３７】
図２は、もう一つの好ましい実施形態に従ったプローブ１１の斜視図を示しており、ここでは内部の発電機１６の機構が開示されている。
テーパーシャンク１３の真下のプローブハウジング２７における切断により、ここでは回転子１７と一体化されているフライホイール２８、そして永久磁石１９が好ましくは収容されている穴を見ることができる。
回転子１７に対面して、固定子１８とそこに埋込み式の巻線２０が見える。
【００３８】
固定子１８の下には、バッファコンデンサまたは当該技術分野において公知のその他のあらゆるタイプのエネルギー貯蔵ユニット３２が、生成された電気エネルギーを貯蔵するために組立てられている。
バッファコンデンサであるエネルギー貯蔵ユニット３２は、例えばＣＰＵ３６および接触検出回路２２の構成要素ならびに遠隔測定システムユニット２４（図示せず）を含めたさまざまな電子構成要素が組立てられている回路基板３５に接続可能である。
ＣＰＵを除いて、その他の構成要素は、好ましくは、それらを収容するための必要な場所を提供するケーシング２１の内部の回路の下に設置されているので見えなくなっている。
例えばアンテナまたは赤外線ポートなどで構成された遠隔測定システムユニット２４の無線伝送部分は、好ましくは、信号減衰効果を最小限にするためにケーシング２１の外部表面上に組立てられている。
それは、ケーシング２１の側面上に見ることができる。
【００３９】
ＣＰＵ３６は、好ましくは、プローブスタイラス２６が、その組立て軸にしたがって偏向させられた場合には、常に接触検出回路２２が受信する信号を処理するために使用することができる。
図２では、この軸は、工作機械１２およびプローブ１１の回転軸１４の両方に対応している。
このとき、信号は、遠隔測定システムユニット２４に送られ、遠隔制御ユニットへと伝送され得る。
しかしながら、この文書中で先に言及した通り、ＣＰＵ３６は、データ送信および受信の両方のためのインタフェースとしても使用可能である。
それは、無線伝送リンク３４で受信された命令の解析時点で、プローブ１１用の測定プログラムの実行のために、発電機１６の起動をトリガすることができる。
ＣＰＵは、エネルギー計量ユニット３３が関与する好ましい実施形態においては、好ましくはかかる要素にも結合される。
その場合、ＣＰＵ３６は、電荷レベルが過度に低い場合には常に、送られた警報信号を処理し、そして、それを無線伝送リンク３４で遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送する。
ＣＰＵ３６は、同様に、電気エネルギーを消費する、どの作業を貯蔵エネルギーで実行するべきか、およびどの作業が発電機１６を介した実時間の電力エネルギー供給を必要とすると思われるかについて決定を下すことをも担当する。
【００４０】
図３は、回転子１７に埋込まれた一連の永久磁石１９を含む発電機１６の平面図を例示している。
この一連の磁石のうちの各々の連続する永久磁石１９は、巻線２０内の誘導電流が交番させられるように、反転された磁極の配置（Ｎ、ＳはＮ極およびＳ極を表わす）を有する。
開示された発電機１６は、一方向のみで回転子１７のフライホイール２８に対し、支持要素であるテーパーシャンク１３の回転を伝達するための単方向クラッチ２９を含む。
単方向クラッチ２９は、この実施例においては、プローブハウジング２７にしっかりと固定されている爪３１と回転子１７の周囲の波形歯３０の連動に基づいている。
この実施形態は、単なる例として示されており、オーバーランニングクラッチまたはフライホイールの数多くのその他の変形形態が同様に本発明の枠内で応用可能である、ということは明らかに認識できる。
クラッチは、工作機械１２の回転スピンドル１５が自由方向に、すなわち例示された実施形態については時計回り方向に駆動された場合にプローブハウジング２７と同じ速度で回転子１７のフライホイール２８を駆動すること、そして工作機械の回転軸１４が第一の方向と反対の方向に駆動された場合にはフライホイール２８を係合解除することを可能にする。
回転スピンドル１５の回転がひとたびオフ切換えされたならば、プローブハウジング２７は、その慣性モーメントに起因して回転し続ける回転子１７よりもはるかに速く減速し、フライホイール２８は係合解除される。
結果として得られる回転子１７の相対回転速度は、以上のように電流を生成するために使用可能である。
【００４１】
単方向クラッチ２９を含み入れることで、フライホイール２８はプローブと同じｒｐｍ数で瞬間的に加速されることから、発電サイクルが短縮される。
発電機１６は、一つの回転方向のみで作動される必要があり、これにより、その構造および付属回路は簡略化され得る。
【００４２】
発電機１６が生成するエネルギーを最大限にするためには、回転子１７の回転における摩擦損失を可能なかぎり低く保つべきである。
このため、回転子１７の軸上に、転がり軸受、針状ころ軸受または玉軸受（図示せず）を想定することができ、阻止機構の波形歯３０部分および爪３１部分の両方に適切なあらゆる潤滑材料を塗布することができると考えられる。
【００４３】
図３に例示された実施形態においては、回転子１７は、同様に、固定子の巻線内に電流を誘導するため永久磁石１９を担持するフライホイール２８に一体化されている。
図４に例示された変形実施形態は、プローブハウジング２７およびフライホイール２８が、一つの同じ部品で実現されており、かくしてプローブハウジング２７の内部表面上に永久磁石１９が固定されるかまたは組込まれるようになっている代替的実施形態を示している。
したがって、符号１７、２７および２８は、プローブハウジング上にまとめられている。
この実施形態においては、固定子１８の巻線は、好ましくは、円形分布した全てのコイルを用いて適切な誘導電流量を供給するように最小限のギャップを伴って配置される。
複数の永久磁石１９の代りに、環状多極磁石を含むカラーを、プローブハウジング２７の内側に組立てることもできる。
【００４４】
図４を見ればわかるように、本発明のこの実施形態のためには、テーパーシャンク１３は、好ましくは直接に固定子１８に結合され、回転軸１４を中心にして、それを回転駆動させ、一方玉軸受といったような軸受継手３７は、プローブハウジング２７に回転運動を追従させないようにすることができる。
【００４５】
プローブ１１について開示された設計アプローチは、ほぼメンテナンスのいらない運転が可能な自己動力供給機構を提供する。
本発明に従ったプローブ１１は、エネルギーに関して完全に自給自足で作動するものと想定されており、かくしてシステムの全体的利用可能性を増大するために使用され得る蓄電池の変更が必要とされることは一切ない。
必要に応じて、すなわち予め定められたタイムスロットの外を含め必要とされる場合には常に間欠的に、そして同じく場合によってはどの電気回路の動作のためにでも電流を発生させるように最大限の柔軟性が提供されている。
また、開示されている自己動力供給機構のエネルギー効率は、エネルギーの変換のために使用される運動エネルギーを供給するのに例えば空気圧システムなどの付加的なシステムが全く必要とされないことから、利用可能な従来の解決法よりも優れている。
【００４６】
図５に例示されている本発明のもう一つの実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結され、その空力抵抗を最大限にする突出した羽根１２１が備わった状態で、プローブの外部ケーシングの一部となっている。
このようにして、スピンドルであるテーパーシャンク１３が回転させられた時、駆動要素は同じ速度で回転せず、より低い速度で回転する。
この角速度の差異により、巻線２０が電気エネルギーを発生させるようにすることができる。
この実施形態は、先行する実施形態のものと同じ原理、すなわちプローブの固定子要素と駆動要素の間、ひいては発電機の回転子と固定子の間の回転速度差を活用することに依存しているということがわかる。
先の実施形態との違いは、速度の差が慣性によって誘発されるのではなく、羽根１２１により構成された空力ブレーキによって誘発されるという点にある。
有利にも、先の慣性ベースの変形形態ではエネルギーの生成が加速および減速段階に限定され、その結果必然的に間欠的であったのに対して、速度差および電気エネルギーの生成は無限に、つまり必要とされるかぎり維持させることが可能である。
この実施形態において発生させることのできる電力は、理想的な場合では、空力ブレーキで散逸した機械力に等しい。
【００４７】
図５にある羽根の形状および配置は、単なる一例として提供されており、本発明の範囲から逸脱することなくその他の種類の空力ブレーキで代用することができる、ということは明白である。
好ましい変形形態においては、羽根は、プローブ本体近くに羽根が折畳まれている、スピンドルが回転しない場合のコンパクトな構造、そして抗力を最大限にするべく羽根がプローブ本体から突出している拡張構成を伴って、自己展開式であり得る。
羽根の展開は、遠心力、空気力またはその他のいずれかの手段またはそれらの組合せによって駆動され得る。
【００４８】
図６に例示されている本発明のさらなる変形形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、ＣＮＣ機がプローブを予め定められた制動位置にもっていくように起動させられた時点で、制動される。
例示された実施例において、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結されたプローブの外部ケーシングの一部であり、機械のテーブルに固定された制動要素１３０は、駆動要素であるフライホイール２８と接触させられ、かくしてその動きを妨害する。
この位置でスピンドルが回転させられた場合、磁石を担持する駆動要素であるフライホイール２８は、この動きに追従せず、電気エネルギーが巻線２０によって生成される。
【００４９】
制動要素１３０の形状および位置については、本発明がその数多くの変形形態および代替案を包含すること、そして図６に例示されている指状形状が単に一例として与えられているにすぎないものであることは明白である。
制動要素１３０の位置も、同様に自由である。
好ましい変形形態においては、制動要素１３０は、ＣＮＣ機がツールとプローブを自動的につかみ取るツールマガジンの中に組込まれると考えられる。
【００５０】
本発明のこの変形形態には、この変形形態における制動効果を向上させるために、数多くの任意の特長を付加することができる。
例えば、駆動要素であるフライホイール２８および／または固定指状部である制動要素１３０は、ゴムのような表面または高い摩擦係数をもつ材料の表面を有することができる。
さらに付加的にまたは代替的に、駆動要素であるフライホイール２８は、図６に概略的に示されているように、固定指状部である制動要素１３０と相互動作する凹部１３５と突出部を有することができる。
【００５１】
図７に例示されている実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に連結されず、例えばツールマガジン内といったように機械の基準テーブル上の予め定められた定位置にある。
この変形形態においては、プローブには巻線２０が具備されており、駆動要素であるフライホイール２８は、数多くの永久磁石１９を担持している。
電気エネルギーを生成するために、ＣＮＣ機は、プローブを駆動要素内に挿入するかまたは少なくとも駆動要素と磁気関係になるように挿入するべく駆動され、その後、スピンドルは、蓄電池に所望の量のエネルギーを貯えるのに充分な時間回転させられる。
この有利な実施形態は、より軽量のプローブを提供する。
【００５２】
プローブが組立てられているＣＮＣ機または座標機械の位置づけ精度は、一般に、駆動要素６８の内部へのプローブの正しい挿入、そしてこれら二つの要素間での接触が全くない状態での自由な回転を確保するのに充分なものである。
駆動要素内へのプローブの挿入は、望ましくない接触を回避するよう入念にプログラミングされるべきである。
【００５３】
プローブの挿入をさらに容易にするため、プローブを上に据えつけてよい一つ以上の回転可能な要素を駆動要素に具備することが有利であり得る。
この場合、駆動要素は、好ましくは、プローブのあらゆる心ずれを補償するため弾性マウントを含むものとする。
図６の実施形態についてそうであったように、駆動要素は、有利にはツールマガジン内またはツールホルダーの一時収容場所内に内蔵されてよい。
この有利な構成により、測定作業の開始時点で必要とされる電力を発生させることが可能になる。
【００５４】
本発明のさまざまな実施形態は、電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する発電機１６と発電機の固定子との関係において相対的に回転する能力をもつ駆動要素であるフライホイール２８とを有する、工作機械に連結可能なプローブに関するものである。
駆動要素の回転軸は、好ましくは、プローブ自体の対称軸である。
駆動要素は、いかなる外部エネルギー源にも連結されず、単に工作機械の回転軸を活動化させることだけで回転させることができる。
【００５５】
有利にも、本発明の駆動要素は、工作機械のいずれの可動要素とも直接連結されておらず、プローブ自体に回転可能な形で組立てられているか、または工作機械の基準テーブル上に固定されているかのいずれかである。
重要なことに、本発明のプローブは、標準化されたテーパーシャンクを伴う従来のツールホルダーで実現できる回転スピンドルに対する連結以外には、プローブが組立てられている工作機械に対する付加的な連結を全く必要としない。
このようにして、本発明のプローブは、標準的なプローブと完全に互換性があり、いかなる適合化もなく標準的なツールホルダーと共に組立て使用することができる。
プローブの自己動力供給機能は、単に、工作機械のスピンドルに適切な回転命令を送るだけで起動され得る。
【００５６】
本発明の異なる実施形態に従うと、駆動要素の散逸制動により、駆動要素の相対的回転が得られる。
その他の変形形態においては、駆動要素の相対的回転は、単に、機械のテーブル上の定位置、もしくはツールホルダーまたはツールマガジンなどのような保持用装置に由来するものである。
【００５７】
本発明のさまざまな変形形態および実施形態に従うと、エネルギーは、任意の位置で、またはプローブが制動装置または駆動要素との関係において同一かつ特定の位置まで移動させられた場合にのみ発生させることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１ プローブ
１２ 工作機械
１３ テーパーシャンク
１４ 回転軸
１５ 回転スピンドル
１６ 発電機
１７ 回転子
１８ 固定子
１９ 永久磁石
２０ 巻線
２１ ケーシング
２２ 接触検出回路
２３ 電気的接触
２４ 遠隔測定システムユニット
２５ 電圧変換器
２６ プローブスタイラス
２７ プローブハウジング
２８ フライホイール
２９ 単方向クラッチ
３０ 波形歯
３１ 爪
３２ エネルギー貯蔵ユニット
３３ エネルギー計量ユニット
３４ 無線伝送リンク
３５ 回路基板
３６ ＣＰＵ
３７ 軸受継手
１２１ 羽根
１３０ 制動要素
１３５ 凹部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５９】
【特許文献１】米国特許第５５６４８７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４７１６６５７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書
【特許文献４】特開平０３−２２３６０２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用工作機械または座標測定機械と共に使用することを目的とし、特にコンピュータによる数値制御（ＣＮＣ）式工作機械の中で使用するように適合された測定用プローブに関するものである。
特に、本発明は、工作物上での測定目的で使用するための自己動力供給式ツールを扱っている。
【背景技術】
【０００２】
工作物上でさまざまな機械加工または測定作業を実施するために異なるタイプのツールを自動的に交換する能力を有する機械は、かなり広く普及しており、当該技術分野において周知である。
モジュール式ツールは解除可能な形で単純に機械に固定されており、これにより、各々の特定の作業について特定の機械を使用しなくてすむようになっている。
【０００３】
かかるツールが電気回路を有している場合、回路に対し電源を具備する必要があり、そうでなければツールとツールサポートとの間に少なくとも一定の形態の解除可能な電気接続を想定する必要がある。
【０００４】
モジュール式プローブヘッドは往々にして標準的なツールホルダー上、例えばモールステーパーシャンク上に組立てられており、そしてこれがあらゆる種類の測定および寸法制御を実施するようにスピンドルまたは回転軸工作機械に解除可能な形で連結される。
これは、フライス加工、中ぐりまたはその他のあらゆる機械加工作業といったような加工作業が工作物に対して実施される前に行われることが多い。
このようなモジュール式プローブヘッドは、例えば工作物の適切な位置づけを確保するように、または機械加工作業の開始前にその寸法が許容可能な範囲内にあることをチェックするように作られている。
【０００５】
かかるプローブヘッド用の電源は、プローブハウジングが取付けられているシャンクが通常いかなる電気エネルギー源または電気接続も含まないことから、問題となることが多い。
プローブが回転軸に連結される場合、ほぼ必ずそうであるように、そのときプローブにはいかなる電線も接続することができなくなり、電源に関するかぎりは、これは完全に自立していなければならない。
【０００６】
測定作業を行なうため、そして場合によっては機械制御ユニットに情報を伝送するためにも、プローブヘッドに対しエネルギーを供給する目的で内蔵バッテリが通常用いられる。
しかしながら、バッテリの寿命には限界があることから、それらを定期的に再充電しかつ／または手作業で交換することが必要であり、これは綿密で時間のかかるものである。
【０００７】
バッテリの代替物として、この電力供給の問題を解決するため、発電機によって機械的エネルギーを電気エネルギーに転換するさまざまなシステムが提案されてきた。
【０００８】
米国特許第５５６４８７２号明細書は、電気機械的変換器として流体の圧縮空気の補給を受ける内蔵式流体タービンを用いた無線プローブについて記述している。
同様にして、米国特許第４７１６６５７号明細書および米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書は、電力を生成するため加圧流体の供給を受けるタービンが具備された測定プローブを開示している。
【０００９】
これらの解決法には、流体流を運ぶための密閉ダクトと同様に、流体の漏出または圧力損失を回避するために組立て時点におけるツールサポートとプローブとの精密な封止が必要とされる。
これは容易に実現できることではなく、ツールホルダーの特殊な設計が関与する。
大部分の場合において、流体導路（例えば切削液ライン）に対するプローブの連結は、仮に可能である場合、手作業でかつ個別に実施されなくてはならない。
【００１０】
発電についてのもう一つの解決法は、特開平３−２２３６０２号公報によって開示されており、これにおいては、工作機械のスピンドルは、プローブのハウジングが工作機械のヘッドの非回転要素に固定されている一方で、プローブ内の発電機を直接回転駆動させる。
これには、標準的なテーパーシャンクに加えて第二の機械的連結が必要であり、かくして、一つの工作作業からもう一つの作業へ移行する場合にツールの迅速で容易な交換が妨げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、上述の制限が全て無い、電気回路を有するモジュール式プローブヘッド用の自立型発電システムに対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従うと、これらの目的は、独立請求項の特徴をもつ発電方法およびタッチプローブを用いて達成される。
好ましい実施形態は、従属請求項の中で規定されている。
特に、これらの目的は、工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、工作物の表面上の点の座標を測定するための電気または電子回路を使用する座標センサ、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機、を含む工作機械用の座標プローブによって達成されるのであって、該座標プローブは、発電機の固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機により特徴づけられている。
【００１３】
提案されている解決法は、第一に、電力消費に関してシステム全体の効率を改善する。
機械によりすでに生成されたエネルギーを変換し、それを貯蔵しもう一つの形態に再利用することで、実際にあらゆる付加的なエネルギー源を使用せずにすませることができるようになり、さらに、機械側ではいかなる電力自立性の問題にも遭遇しないことから、プローブ上に送出される機械エネルギーは理論的には制約がない。
したがって、一次エネルギー源としてのフライホイールの使用は、システムの既存の機械エネルギーを発電へと向ける上でのこのエネルギーの作用を最大限にする。
【００１４】
開示されている解決法のもう一つの利点は、さまざまな作業目的のために利用可能な自立式の電源を有するモジュール式タッチプローブに対する汎用解決法を提供するということにある。
取付けたプローブのハウジング内部で独立して生成される運動エネルギーを使用することから、それを工作機械に連結するためにいかなる特殊な設計または調整装置も必要とせず、つまりこの解決法はどのような規格通りの支持用工具にも適合する。
【００１５】
提供される解決法のさらなる利点は、その使用が便利で簡単であること、ならびにその動作がほぼメンテナンスを必要としないことにある。
【００１６】
本発明は、例として与えられる図によって例示されている実施形態についての記述を用いてより良く理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの断面図を示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態に従ったプローブの斜視図を示す。
【図３】本発明の好ましい実施形態に従った発電ユニットの平面図を示す。
【図４】本発明の変形実施形態に従った発電ユニットを示す。
【図５】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図６】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図７】本発明のもう一つの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施形態および使用例に従ったプローブ１１の断面を例示している。
我々は、単純さを期して、プローブ１１が三本の線形軸ＸＹＺと回転スピンドル１５を有する従来のＣＮＣフライス加工機において使用されるものと仮定するが、これは本発明を制限するものではなく、本発明は全ての様式の工作機械１２において使用することのできるものであると理解すべきである。
【００１９】
図示された実施例においては、プローブ１１は、使用されている工作機械と適合性のある標準的なテーパーシャンク１３を含むホルダーを介して工作機械１２の回転スピンドル１５に解除可能な形で固定されている。
図中、テーパーは単純さを期して、プローブと一体化されているものとして描かれている。
しかしながら、本発明のプローブは、特定の連結形式に制限されないことを理解すべきである。
テーパーシャンクは、一般に、異なる機械との相互動作を可能にするため、離脱可能なツールホルダーの一部を成すものとする。
回転スピンドル１５は、回転スピンドル１５からプローブを取外し、それに導入する方向も同様に規定している回転軸１４を中心として、回転駆動される。
【００２０】
工作機械１２に作業用ツールを固定するための上述のクランプ機構は、きわめて広く用いられている。
したがって、プローブ１１のテーパーシャンク１３は、好ましくは、規格通りの工作機械１２と相互動作するためにいかなる特定の設計も必要としない。
本発明に従った締結システムは、工作機械１２のＸＹＺ軸を適切にプログラミングすることにより３次元測定空間内の任意の位置でプローブ１１を移動させることのみならず、工作機械の回転スピンドル１５と共にプローブ１１を回転駆動することを可能にする。
この回転駆動の特長を有するプローブを、解除可能な形で連結するためのあらゆるシステムが、本発明に適するものであることがわかる。
【００２１】
テーパーシャンク１３の反対側の端部において、プローブハウジング２７は、タッチトリガによるプローブ１１といったような表面検知および／または測定用装置を支持しており、該プローブは、接触検出回路２２に結合された細長いプローブスタイラス２６を含み、好ましくは接触検出回路自体が、測定結果を遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送しかつ／または測定プロセスのための命令を受信するために遠隔測定システムユニット２４に結合されている。
プローブスタイラス２６が偏向した場合、接触検出回路２２の電気的接触２３が破断すると直ちに電気信号がトリガされる。
しかしながら、本発明は、この特定の種類のプローブに限定されるわけではなく、測定中の工作物の表面上の点の座標の尺度を生成する、アナログプローブおよび例えばレーザープローブといった非接触プローブも利用することができる。
【００２２】
適切に符号化された測定座標は、次に、無線データ伝送のため遠隔測定システムユニット２４に転送され得る。
データ伝送は、例えば赤外線を介した光学または無線周波数伝送を通して、または例えばブルートゥース技術または短距離伝送のために用いられるあらゆる無線技術を用いて、例示された通りの無線伝送リンク３４で実施可能である。
好ましいのは、低出力伝送システムである。
より高い帯域幅および／またはより長い距離が必要とされる場合には、ＷＬＡＮといったようなその他の無線データ伝送技術もまた想定できる。
好ましくは、遠隔測定システムユニット２４の入出力インタフェースは、電力節約のため定期的にオフ切換えされ得、または、デフォルトによりアイドル状態にされ得、予め定められたタイムスロットの間のみ伝送するように準備完了状態となり得る。
ＧＰＲＳまたはＥＤＧＥといったような、その他の無線伝送技術もまた考慮可能である。
また以上で言及された無線技術リストは、網羅的なものではない。
【００２３】
接触検出回路２２および／または遠隔測定システムユニット２４のための電力は、主として発電機１６により供給される。
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、発電機１６の回転子１７は、この実施形態に従って、プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホール２８である駆動要素より下に設置されている。
これには、プローブハウジング２７の回転とは独立して角速度を維持するために充分な慣性モーメントが提供される。
フライホイール２８は、例えば、発電機１６の回転軸に連結可能なアド・オンモジュールであり得、したがって、既存の発電モジュール１６を用いて拡張可能性を改善できる。
【００２４】
回転子１７は、固定子１８と回転子１７の間に相対的回転が存在する場合に、固定子１８の巻線２０内に誘導電流を流すための永久磁石１９を担持する。
【００２５】
本発明のプローブ１１は、工作機械のスピンドル上に組立てられ、したがって高速で回転していてよい。
本発明の実施形態においては、固定子および回転子の両方が同時に回転してよく、その他の実施形態では、回転子が静止している間、発電機の固定子は回転していてよい。
したがって「固定子」および「回転子」という用語は、任意の特定の基準座標系内での絶対的静止または絶対的回転を表わすものとみなされるべきではなく、相対的な意味をもつとみなされるべきである。
エネルギー生成サイクルの一例について、ここで記述する。
ＣＮＣ機械の回転スピンドル１５が最初に起動され、プローブハウジング２７を回転させる。
フライホイール２８は、その高い慣性モーメントのため、プローブハウジング２７の運動に追従しない。
プローブハウジングに固定された基準座標系内においてシステムを考慮すると、発電機１６では回転子１７とフライホイール２８が反対方向に相対的に回転するのが「見られる」。
【００２６】
スピンドルが回転し続けるかぎり、好ましくは低摩擦軸受上に組立てられるフライホイールは、かなり長時間にわたり（プローブハウジング２７との関係において）回転し続けると考えられる。
また一方、回転子の永久磁石１９は、固定子の巻線２０の中に起電力を誘起する。
ここで電流が巻線内を循環して正味正電力を発生させたならば、電気制動が結果として起こり、フライホイールは（プローブハウジングに固定された基準座標系内で）ハウジングの角速度に到達し、その運動エネルギーは電気エネルギーに転換される。
【００２７】
フライホイール２８の回転速度がひとたびハウジングの回転速度と等しくなったならば、回転スピンドル１５、そしてそれと共にプローブハウジング２７が停止させられるかもしれない。
このとき、フライホイール２８は、発電機１６の固定子との関係においてスピンドルの初期回転方向で回転するのが見られる。
ここでもまた、フライホイール２８が再びハウジングの角速度となるまで、フライホイール２８の運動エネルギーを電気エネルギーへと転換することができる。
記述されたエネルギー生成サイクルは、必要な回数だけ反復可能である。
【００２８】
記述された実施形態は、スピンドルの角加速または角減速が存在する場合は常に、そしてスピンドル速度の突然の変化後の過渡期において、電気エネルギーを生成するためにフライホイール２８の慣性を活用する。
スピンドルが恒常な角速度で回転しフライホイールが同じ速度で回転する場合、エネルギーを生成することは全くできない。
【００２９】
同様に、もう一つの変形形態に従うと、スピンドルの回転を単に停止させるのではなく、むしろそれを反転させ、かくして固定子との関係におけるフライホイールの回転速度を倍加させることも可能である。
反転は、エネルギーを持続的に生成するように周期的に反復させることができる。
所与の毎分回転数（ｒｐｍ）についてより多くの運動エネルギーが貯えられることができることを意味する、フライホイール２８の慣性モーメントの上昇のために、フライホイール２８用に選ばれる材料は、例えば、鉄、白金、タングステン、鉛などといったあらゆる重金属など、可能なかぎり重くなるように選択されるべきである。
一方、発電機１６のサイズを縮小させその出力を増大させるためには、永久磁石１９を、好ましくは、例えばサマリウムコバルト磁石またはＮＩＢ（ネオジム−鉄−ホウ素）磁石などの高磁気エネルギー積を有する希土類永久磁石とするべきである。
【００３０】
発電機１６は、上述の接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４のいずれかに対し、そしてより一般的には遠隔測定システムユニットおよび／または座標のプローブ１１の入出力の遠隔測定システムユニット２４の電気または電子いずれかの回路部分に対して電力を供給することができる。
給電は、フライホイール２８とプローブハウジング２７との間の相対回転速度がゼロでない場合は常に、すなわち回転子１７が固定子１８との関係において実際に回転している場合に行なわれる。
これは、例えばプローブハウジング２７が、加速または減速されるときなどに起こる。
【００３１】
当該技術分野において公知の解決法で通常提供される空気圧システムとは異なり、固定子１８との関係における回転子１７の相対的回転を与えるのに慣性の効果が用いられることから、工作機械とプローブの間にはいかなる気密機構も必要とされない、ということがわかる。
その結果、プローブ１１を、より容易かつ迅速に組立て、交換することができる。
【００３２】
図１に例示されている好ましい実施形態に従うと、プローブ１１は、さらに、発電機１６により生成される電圧を増幅し、接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４を適切に作動させるのに許容可能なレベルまで電圧を上昇させることを目的として、電圧変換器２５といったようなもう一つの電気回路を含んでいる。
電気回路を作動させるのに許容可能なレベルというのは、通常少なくとも３〜４ボルト前後になる。
電圧変換器は、半導体電圧増幅器または、入力電圧よりも高い出力電圧を供給することができるあらゆる半導体交流／直流変換器であり得る。
その結果として、前記発電機１６によって生成される電圧よりも高い直流電圧を発生させることができる。
電圧変換器２５は、好ましくは、発電機１６の出力端と伝送および受信段階のためにより大きい電圧が必要である遠隔測定システムユニット２４の入力端との間に設置される。
直流電圧へと発電機１６の出力を変換するステップは、必要な場合は常に、そしてそれを要求し得る電気または電子回路である接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４いずれのためにでも、より高い直流電圧状態で実施可能である。
【００３３】
プローブヘッド１１が、いかなるエネルギー貯蔵機構も備えていないことも考えられる。
しかしこの場合、測定作業および／またはデータ伝送作業が実施されている間、エネルギーを生成する必要があり、これは大きな制約である。
発電機１６により供給された電力を貯蔵するために、プローブ１１の内部にエネルギー貯蔵ユニット３２を具備することが望ましい。
このとき、エネルギー発生サイクルは、間隔をおいてのみ、そして好ましくは実際の測定中以外の時に実行される必要がある。
【００３４】
エネルギー貯蔵ユニット３２は、プローブ内部で接触検出回路２２、遠隔測定システムユニット２４に電力を供給するための一次エネルギー源として役立ち、発電機１６がオフ切換えされている場合にのみ使用され得る。
このユニットは同様に、発電機１６が動作している間および／またはプローブ１１が測定目的で使用されている間に発電機１６により生成された余剰分のエネルギーを貯蔵する補助エネルギー源またはバッファとしても使用可能である。
したがってこのようなエネルギー貯蔵ユニット３２は、発電機１６と交替で、または発電機１６と組み合わせた形で使用することができ、こうして、より大きな運転柔軟性が得られる。
こうして例えば、プローブのいずれの部分の回転も全く必要とせずに許容可能な測定時間だけ測定を実施すること、そしてより一般的には、絶対的に必要な場合にのみ発電機の作動を要求することが可能になる。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態に従うと、エネルギー貯蔵ユニット３２は、生成された電気エネルギーを貯蔵し、そして例えば充電式蓄電池またはバッファコンデンサである。
この目的では、貯蔵特性がより優れていることから電気化学二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を使用してよい。
【００３６】
プローブ１１に電気エネルギーを供給するためのメンテナンス必要条件を最小限におさえる目的で、電力の欠如が検出された場合は常に、貯蔵用手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２の充電プロセスを自動化することを想定することができる。
このために、任意の所与の時点で利用可能な貯蔵エネルギーの量を標示する目的で、エネルギー貯蔵ユニット３２に対しエネルギー計量ユニット３３を結合させることができる。
好ましくは、このエネルギー計量ユニット３３は、遠隔測定システムユニット２４にもまた結合され、ひとたび最低の電力レベルに達した時点で制御ユニット（図示せず）に対する警告信号の送信をトリガすることができる。
このような警告信号を受信した時点で、制御ユニットは、発電機１６をオン切換えするべく、回転軸１４を中心とした工作機械の回転スピンドル１５を回転させ、かくして充分なエネルギーを供給し貯蔵手段であるエネルギー貯蔵ユニット３２内に貯蔵できるようにする。
工作機械１２の回転軸１４を駆動させ運動エネルギーを電気エネルギーに転換するステップは、所望のエネルギーレベルを達成するのに必要な回数だけ反復できる。
【００３７】
図２は、もう一つの好ましい実施形態に従ったプローブ１１の斜視図を示しており、ここでは内部の発電機１６の機構が開示されている。
テーパーシャンク１３の真下のプローブハウジング２７における切断により、ここでは回転子１７と一体化されているフライホイール２８、そして永久磁石１９が好ましくは収容されている穴を見ることができる。
回転子１７に対面して、固定子１８とそこに埋込み式の巻線２０が見える。
【００３８】
固定子１８の下には、バッファコンデンサまたは当該技術分野において公知のその他のあらゆるタイプのエネルギー貯蔵ユニット３２が、生成された電気エネルギーを貯蔵するために組立てられている。
バッファコンデンサであるエネルギー貯蔵ユニット３２は、例えばＣＰＵ３６および接触検出回路２２の構成要素ならびに遠隔測定システムユニット２４（図示せず）を含めたさまざまな電子構成要素が組立てられている回路基板３５に接続可能である。
ＣＰＵを除いて、その他の構成要素は、好ましくは、それらを収容するための必要な場所を提供するケーシング２１の内部の回路の下に設置されているので見えなくなっている。
例えばアンテナまたは赤外線ポートなどで構成された遠隔測定システムユニット２４の無線伝送部分は、好ましくは、信号減衰効果を最小限にするためにケーシング２１の外部表面上に組立てられている。
それは、ケーシング２１の側面上に見ることができる。
【００３９】
ＣＰＵ３６は、好ましくは、プローブスタイラス２６が、その組立て軸にしたがって偏向させられた場合には、常に接触検出回路２２が受信する信号を処理するために使用することができる。
図２では、この軸は、工作機械１２およびプローブ１１の回転軸１４の両方に対応している。
このとき、信号は、遠隔測定システムユニット２４に送られ、遠隔制御ユニットへと伝送され得る。
しかしながら、この文書中で先に言及した通り、ＣＰＵ３６は、データ送信および受信の両方のためのインタフェースとしても使用可能である。
それは、無線伝送リンク３４で受信された命令の解析時点で、プローブ１１用の測定プログラムの実行のために、発電機１６の起動をトリガすることができる。
ＣＰＵは、エネルギー計量ユニット３３が関与する好ましい実施形態においては、好ましくはかかる要素にも結合される。
その場合、ＣＰＵ３６は、電荷レベルが過度に低い場合には常に、送られた警報信号を処理し、そして、それを無線伝送リンク３４で遠隔制御ユニット（図示せず）に伝送する。
ＣＰＵ３６は、同様に、電気エネルギーを消費する、どの作業を貯蔵エネルギーで実行するべきか、およびどの作業が発電機１６を介した実時間の電力エネルギー供給を必要とすると思われるかについて決定を下すことをも担当する。
【００４０】
図３は、回転子１７に埋込まれた一連の永久磁石１９を含む発電機１６の平面図を例示している。
この一連の磁石のうちの各々の連続する永久磁石１９は、巻線２０内の誘導電流が交番させられるように、反転された磁極の配置（Ｎ、ＳはＮ極およびＳ極を表わす）を有する。
開示された発電機１６は、一方向のみで回転子１７のフライホイール２８に対し、支持要素であるテーパーシャンク１３の回転を伝達するための単方向クラッチ２９を含む。
単方向クラッチ２９は、この実施例においては、プローブハウジング２７にしっかりと固定されている爪３１と回転子１７の周囲の波形歯３０の連動に基づいている。
この実施形態は、単なる例として示されており、オーバーランニングクラッチまたはフライホイールの数多くのその他の変形形態が同様に本発明の枠内で応用可能である、ということは明らかに認識できる。
クラッチは、工作機械１２の回転スピンドル１５が自由方向に、すなわち例示された実施形態については時計回り方向に駆動された場合にプローブハウジング２７と同じ速度で回転子１７のフライホイール２８を駆動すること、そして工作機械の回転軸１４が第一の方向と反対の方向に駆動された場合にはフライホイール２８を係合解除することを可能にする。
回転スピンドル１５の回転がひとたびオフ切換えされたならば、プローブハウジング２７は、その慣性モーメントに起因して回転し続ける回転子１７よりもはるかに速く減速し、フライホイール２８は係合解除される。
結果として得られる回転子１７の相対回転速度は、以上のように電流を生成するために使用可能である。
【００４１】
単方向クラッチ２９を含み入れることで、フライホイール２８はプローブと同じｒｐｍ数で瞬間的に加速されることから、発電サイクルが短縮される。
発電機１６は、一つの回転方向のみで作動される必要があり、これにより、その構造および付属回路は簡略化され得る。
【００４２】
発電機１６が生成するエネルギーを最大限にするためには、回転子１７の回転における摩擦損失を可能なかぎり低く保つべきである。
このため、回転子１７の軸上に、転がり軸受、針状ころ軸受または玉軸受（図示せず）を想定することができ、阻止機構の波形歯３０部分および爪３１部分の両方に適切なあらゆる潤滑材料を塗布することができると考えられる。
【００４３】
図３に例示された実施形態においては、回転子１７は、同様に、固定子の巻線内に電流を誘導するため永久磁石１９を担持するフライホイール２８に一体化されている。
図４に例示された変形実施形態は、プローブハウジング２７およびフライホイール２８が、一つの同じ部品で実現されており、かくしてプローブハウジング２７の内部表面上に永久磁石１９が固定されるかまたは組込まれるようになっている代替的実施形態を示している。
したがって、符号１７、２７および２８は、プローブハウジング上にまとめられている。
この実施形態においては、固定子１８の巻線は、好ましくは、円形分布した全てのコイルを用いて適切な誘導電流量を供給するように最小限のギャップを伴って配置される。
複数の永久磁石１９の代りに、環状多極磁石を含むカラーを、プローブハウジング２７の内側に組立てることもできる。
【００４４】
図４を見ればわかるように、本発明のこの実施形態のためには、テーパーシャンク１３は、好ましくは直接に固定子１８に結合され、回転軸１４を中心にして、それを回転駆動させ、一方玉軸受といったような軸受継手３７は、プローブハウジング２７に回転運動を追従させないようにすることができる。
【００４５】
プローブ１１について開示された設計アプローチは、ほぼメンテナンスのいらない運転が可能な自己動力供給機構を提供する。
本発明に従ったプローブ１１は、エネルギーに関して完全に自給自足で作動するものと想定されており、かくしてシステムの全体的利用可能性を増大するために使用され得る蓄電池の変更が必要とされることは一切ない。
必要に応じて、すなわち予め定められたタイムスロットの外を含め必要とされる場合には常に間欠的に、そして同じく場合によってはどの電気回路の動作のためにでも電流を発生させるように最大限の柔軟性が提供されている。
また、開示されている自己動力供給機構のエネルギー効率は、エネルギーの変換のために使用される運動エネルギーを供給するのに例えば空気圧システムなどの付加的なシステムが全く必要とされないことから、利用可能な従来の解決法よりも優れている。
【００４６】
図５に例示されている本発明のもう一つの実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結され、その空力抵抗を最大限にする突出した羽根１２１が備わった状態で、プローブの外部ケーシングの一部となっている。
このようにして、スピンドルであるテーパーシャンク１３が回転させられた時、駆動要素は同じ速度で回転せず、より低い速度で回転する。
この角速度の差異により、巻線２０が電気エネルギーを発生させるようにすることができる。
この実施形態は、先行する実施形態のものと同じ原理、すなわちプローブの固定子要素と駆動要素の間、ひいては発電機の回転子と固定子の間の回転速度差を活用することに依存しているということがわかる。
先の実施形態との違いは、速度の差が慣性によって誘発されるのではなく、羽根１２１により構成された空力ブレーキによって誘発されるという点にある。
有利にも、先の慣性ベースの変形形態ではエネルギーの生成が加速および減速段階に限定され、その結果必然的に間欠的であったのに対して、速度差および電気エネルギーの生成は無限に、つまり必要とされるかぎり維持させることが可能である。
この実施形態において発生させることのできる電力は、理想的な場合では、空力ブレーキで散逸した機械力に等しい。
【００４７】
図５にある羽根の形状および配置は、単なる一例として提供されており、本発明の範囲から逸脱することなくその他の種類の空力ブレーキで代用することができる、ということは明白である。
好ましい変形形態においては、羽根は、プローブ本体近くに羽根が折畳まれている、スピンドルが回転しない場合のコンパクトな構造、そして抗力を最大限にするべく羽根がプローブ本体から突出している拡張構成を伴って、自己展開式であり得る。
羽根の展開は、遠心力、空気力またはその他のいずれかの手段またはそれらの組合せによって駆動され得る。
【００４８】
図６に例示されている本発明のさらなる変形形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、ＣＮＣ機がプローブを予め定められた制動位置にもっていくように起動させられた時点で、制動される。
例示された実施例において、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に回転可能な形で連結されたプローブの外部ケーシングの一部であり、機械のテーブルに固定された制動要素１３０は、駆動要素であるフライホイール２８と接触させられ、かくしてその動きを妨害する。
この位置でスピンドルが回転させられた場合、磁石を担持する駆動要素であるフライホイール２８は、この動きに追従せず、電気エネルギーが巻線２０によって生成される。
【００４９】
制動要素１３０の形状および位置については、本発明がその数多くの変形形態および代替案を包含すること、そして図６に例示されている指状形状が単に一例として与えられているにすぎないものであることは明白である。
制動要素１３０の位置も、同様に自由である。
好ましい変形形態においては、制動要素１３０は、ＣＮＣ機がツールとプローブを自動的につかみ取るツールマガジンの中に組込まれると考えられる。
【００５０】
本発明のこの変形形態には、この変形形態における制動効果を向上させるために、数多くの任意の特長を付加することができる。
例えば、駆動要素であるフライホイール２８および／または固定指状部である制動要素１３０は、ゴムのような表面または高い摩擦係数をもつ材料の表面を有することができる。
さらに付加的にまたは代替的に、駆動要素であるフライホイール２８は、図６に概略的に示されているように、固定指状部である制動要素１３０と相互動作する凹部１３５と突出部を有することができる。
【００５１】
図７に例示されている実施形態に従うと、駆動要素であるフライホイール２８は、プローブ本体に連結されず、例えばツールマガジン内といったように機械の基準テーブル上の予め定められた定位置にある。
この変形形態においては、プローブには巻線２０が具備されており、駆動要素であるフライホイール２８は、数多くの永久磁石１９を担持している。
電気エネルギーを生成するために、ＣＮＣ機は、プローブを駆動要素内に挿入するかまたは少なくとも駆動要素と磁気関係になるように挿入するべく駆動され、その後、スピンドルは、蓄電池に所望の量のエネルギーを貯えるのに充分な時間回転させられる。
この有利な実施形態は、より軽量のプローブを提供する。
【００５２】
プローブが組立てられているＣＮＣ機または座標機械の位置づけ精度は、一般に、駆動要素６８の内部へのプローブの正しい挿入、そしてこれら二つの要素間での接触が全くない状態での自由な回転を確保するのに充分なものである。
駆動要素内へのプローブの挿入は、望ましくない接触を回避するよう入念にプログラミングされるべきである。
【００５３】
プローブの挿入をさらに容易にするため、プローブを上に据えつけてよい一つ以上の回転可能な要素を駆動要素に具備することが有利であり得る。
この場合、駆動要素は、好ましくは、プローブのあらゆる心ずれを補償するため弾性マウントを含むものとする。
図６の実施形態についてそうであったように、駆動要素は、有利にはツールマガジン内またはツールホルダーの一時収容場所内に内蔵されてよい。
この有利な構成により、測定作業の開始時点で必要とされる電力を発生させることが可能になる。
【００５４】
本発明のさまざまな実施形態は、電気または電子回路である接触検出回路２２に電力を供給する発電機１６と発電機の固定子との関係において相対的に回転する能力をもつ駆動要素であるフライホイール２８とを有する、工作機械に連結可能なプローブに関するものである。
駆動要素の回転軸は、好ましくは、プローブ自体の対称軸である。
駆動要素は、いかなる外部エネルギー源にも連結されず、単に工作機械の回転軸を活動化させることだけで回転させることができる。
【００５５】
有利にも、本発明の駆動要素は、工作機械のいずれの可動要素とも直接連結されておらず、プローブ自体に回転可能な形で組立てられているか、または工作機械の基準テーブル上に固定されているかのいずれかである。
重要なことに、本発明のプローブは、標準化されたテーパーシャンクを伴う従来のツールホルダーで実現できる回転スピンドルに対する連結以外には、プローブが組立てられている工作機械に対する付加的な連結を全く必要としない。
このようにして、本発明のプローブは、標準的なプローブと完全に互換性があり、いかなる適合化もなく標準的なツールホルダーと共に組立て使用することができる。
プローブの自己動力供給機能は、単に、工作機械のスピンドルに適切な回転命令を送るだけで起動され得る。
【００５６】
本発明の異なる実施形態に従うと、駆動要素の散逸制動により、駆動要素の相対的回転が得られる。
その他の変形形態においては、駆動要素の相対的回転は、単に、機械のテーブル上の定位置、もしくはツールホルダーまたはツールマガジンなどのような保持用装置に由来するものである。
【００５７】
本発明のさまざまな変形形態および実施形態に従うと、エネルギーは、任意の位置で、またはプローブが制動装置または駆動要素との関係において同一かつ特定の位置まで移動させられた場合にのみ発生させることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１ プローブ
１２ 工作機械
１３ テーパーシャンク
１４ 回転軸
１５ 回転スピンドル
１６ 発電機
１７ 回転子
１８ 固定子
１９ 永久磁石
２０ 巻線
２１ ケーシング
２２ 接触検出回路
２３ 電気的接触
２４ 遠隔測定システムユニット
２５ 電圧変換器
２６ プローブスタイラス
２７ プローブハウジング
２８ フライホイール
２９ 単方向クラッチ
３０ 波形歯
３１ 爪
３２ エネルギー貯蔵ユニット
３３ エネルギー計量ユニット
３４ 無線伝送リンク
３５ 回路基板
３６ ＣＰＵ
３７ 軸受継手
１２１ 羽根
１３０ 制動要素
１３５ 凹部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５９】
【特許文献１】米国特許第５５６４８７２号明細書
【特許文献２】米国特許第４７１６６５７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００６４７３号明細書
【特許文献４】特開平０３−２２３６０２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械用の座標プローブであって、
−工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、
−工作物表面上の点の座標を測定するための、電気または電子回路を使用する座標センサ、
−巻線を伴う固定子を有する、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機を含む座標プローブであり、
発電機の前記固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、
前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機、
駆動要素が座標プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホイールである、ということを特徴とする座標プローブ。
【請求項２】
電気または電子回路が、遠隔測定システムユニットおよび／または座標プローブの入出力無線伝送ユニットの一部である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項３】
前記工作機械の回転軸が、第一の方向に駆動された場合にフライホイールに対して支持要素の回転を伝達し、
工作機械の回転軸が、第一の方向とは反対の方向に駆動された場合にはフライホイールの係合を解除する、単方向性クラッチを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項４】
フライホイールが、発電機の回転子と一体化されており、永久磁石または希土類磁石またはネオジム−鉄−ホウ素磁石を担持している、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項５】
プローブハウジングが、フライホイールの役割を果たしている、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項６】
駆動要素が、空力ブレーキを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項７】
駆動要素が、工作機械の基準座標系上の定位置に設置可能である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項８】
駆動要素が、ツールホルダーにより駆動可能であり、前記ツールホルダーが、定位置であるときに駆動要素に作用する、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項１】
工作機械用の座標プローブであって、
−工作機械の回転軸に連結可能な支持要素、
−工作物表面上の点の座標を測定するための、電気または電子回路を使用する座標センサ、
−巻線を伴う固定子を有する、前記電気または電子回路に電力を供給する発電機を含む座標プローブであり、
発電機の前記固定子との関係において、一本の軸を中心にして少なくとも部分的に自由に回転できる駆動要素、
前記駆動要素と前記固定子との間の角速度の相対的差異から電気エネルギーを生成するように作動可能なように配置されている前記発電機、
駆動要素が座標プローブに対し回転可能な形で連結されたフライホイールである、ということを特徴とする座標プローブ。
【請求項２】
電気または電子回路が、遠隔測定システムユニットおよび／または座標プローブの入出力無線伝送ユニットの一部である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項３】
前記工作機械の回転軸が、第一の方向に駆動された場合にフライホイールに対して支持要素の回転を伝達し、
工作機械の回転軸が、第一の方向とは反対の方向に駆動された場合にはフライホイールの係合を解除する、単方向性クラッチを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項４】
フライホイールが、発電機の回転子と一体化されており、永久磁石または希土類磁石またはネオジム−鉄−ホウ素磁石を担持している、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項５】
プローブハウジングが、フライホイールの役割を果たしている、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項６】
駆動要素が、空力ブレーキを含む、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項７】
駆動要素が、工作機械の基準座標系上の定位置に設置可能である、請求項１に記載の座標プローブ。
【請求項８】
駆動要素が、ツールホルダーにより駆動可能であり、前記ツールホルダーが、定位置であるときに駆動要素に作用する、請求項１に記載の座標プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２６５１０３（Ｐ２００９−２６５１０３Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−１０４５９２（Ｐ２００９−１０４５９２）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０７３９１２９２）ヘキサゴン メトロロジー エービー (7)
【氏名又は名称原語表記】ＨＥＸＡＧＯＮ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ ＡＢ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０４５９２（Ｐ２００９−１０４５９２）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０７３９１２９２）ヘキサゴン メトロロジー エービー (7)
【氏名又は名称原語表記】ＨＥＸＡＧＯＮ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ ＡＢ
【Ｆターム（参考）】
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