表面感知デバイス
被加工物の表面を測定するための装置が説明される。装置は、座標位置決め機械のような機械（２６）の可動アームに取り付けられ、そして、第１回転軸（１Ａ）および第２回転軸（２Ａ）まわりに回転でき、それら軸がそれぞれ第１モーター（Ｍ１）および第２モーター（Ｍ２）によって駆動される、支持体（７）を備える。装置は、付加的に、第３回転軸（４Ａ）まわりに回転できる、被加工物の表面を感知するための表面感知デバイス（４）を備える。この第３回転軸（４Ａ）は、第１回転軸（１Ａ）に合わさることができ、合わされた場合、表面感知デバイス（４）に対する支持体（７）の回転は、表面感知デバイス（４）がホルダー（７０）によって動かないように保持されるとき、第１モーター（Ｍ１）によって作動可能である。被加工物の表面を測定するための装置を使用するための方法は、また説明される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、三次元座標測定機（ＣＭＭ）、スキャンニング機械、工作機械、あるいは検査／測定ロボットのような、位置決め装置において使用するための表面感知デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような位置決め機械（例えばＣＭＭを示す特許文献１を見よ）は、被加工物を測定するために用いられ、典型的には、被加工物が支持されるテーブルに対して３方向ｘ、ｙ、ｚに移動可能なアームを備える。方向ｘ、ｙ、ｚの各々に関するアームの移動は、その機械上のトランスデューサーによって測定され、アームに設けられたプローブが測定される被加工物の表面とアームとの間の関係を示す信号を生み出す。したがって、その表面の位置は、測定され得る。
【０００３】
代わりの機械において、例えば、幾つかの種類の工作機械において、テーブルは、ｘおよびｙに関して動き、アームはｚに関して動く。
【０００４】
特許文献２に示されているように、三次元座標測定機に取り付けられる、スキャンニングプローブ装置を提供することは知られている。そのようなスキャンニングプローブ装置は、固定構造物に対して、相互に直交する２つの軸に関して回転可能であるプローブヘッドと、そして、スタイラスを含むプローブアッセンブリとを備える。使用に際して、ヘッドは機械のアームに取り付けられ、それの軸の一方はアームの軸に合わせられる。ヘッドの回転可能な軸の各々に関係付けられたトランスデューサーは、機械のアームの軸に対してプローブアッセンブリの軸の方向を決める。
【０００５】
既知のプローブヘッドの別の例が、レニショウのＰＨ９である。ＰＨ９は、モーター駆動の２軸プローブヘッドであり、それは２つの直列的に接続されたローターによってプローブを方向付ける。ローターの各々は、回転のそれの軸に関して等間隔の、複数の運動学的な静止位置のうちの１つを占めることができる。特許文献３は、コンピュータ制御を有さない機械上で使用するための、このプローブヘッドの手動で動作可能なバージョンに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３７２７１１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００１０７０１号明細書
【特許文献３】欧州特許第０３９２６６０号明細書
【特許文献４】米国特許第６０５１９７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スキャニング作業の間、機械および／またはプローブヘッドは、被加工物の表面に関するデータを集めるように、機械制御装置からの指示にしたがって、スタイラス先端部に、被加工物の表面上を動くことをもたらす。機械やプローブヘッドの測定トランスデューサーによって提供される信号、および、表面感知デバイスの寸法についての情報から、予測が、スタイラス先端部の位置（そしてひいては表面の位置）に関してなされ得る。典型的な被加工物は、例えば、種々の角度の多くの穴を有する、車のエンジンブロックであり得る。被加工物の全表面から情報を得ることが望ましく、それ故、スタイラスは、表面の全てに達することができなければならない。
【０００８】
多くのプローブ、例えば、接触トリガープローブのようなボールスタイラスを有するそれらは、多方向性である。これは、それらが多くの方向において被加工物を検知することができるということを意味する。しかし、光学プローブおよび表面仕上げプローブのような、幾つかのプローブは、一方向だけに作用する。これは、それらが一方向においてのみ被加工物を検知することができ、それらが達することができる表面の数を限定することを意味する。
【０００９】
被加工物の変化する形状、および、プローブヘッドの動きの物理的範囲や制限のために、スタイラス先端部は、ときどき、被加工物の表面に達することができない。したがって、表面の外形に関する情報を得ることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１態様は、
機械の可動アームに支持体を取り付けるための取付手段と、
第１回転軸まわりに取付手段に対して回転可能である第１部材であって、前記回転が第１モーターによって生じさせられる第１部材と、第２回転軸まわりに第１部材に対して回転可能である第２部材であって、前記回転が第２モーターによって生じさせられる第２部材とを有する支持体であって、第２回転軸は、第１回転軸を横切り、表面感知デバイスが、第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、支持体と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第３回転軸まわりの支持体に対する表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、第３回転軸は第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
第１回転軸および第３回転軸が合わせられるとき、表面感知デバイスに対する支持体の回転は、第１モーターによって作動可能であることを特徴とする、
被加工物の表面を測定するための装置を提供する。
【００１１】
好ましくは、ホルダーが、表面感知デバイスに対する支持体の前記回転の間、表面感知デバイスを動かないように保持するために提供される。
【００１２】
有利には、ピンが、ホルダーおよび表面感知デバイスの一方に設けられ、表面感知デバイスに対する支持体の回転の間、表面感知デバイスを動かないように保持するために、ホルダーおよび表面感知デバイスの他方に関する少なくとも１つの凹部と係合可能である。
【００１３】
好ましくは、支持体の第１回転軸および第２回転軸は、直交する。
【００１４】
有利には、表面感知デバイスの第３回転軸は、支持体の第２軸に交わる。
【００１５】
ある場合には、表面感知デバイスの第３回転軸は、表面感知デバイスの概ね長手方向の軸である。しかし、代わりに、第３軸は、例えば、表面感知デバイスの長手方向軸に対してある角度をなしてもよい。
【００１６】
プローブあるいはスタイラスの第３軸まわりの回転は、単一方向性プローブによってアクセスされ得る表面の数を増すので、単一方向性プローブに、多方向のプローブとして働くことを可能にし得る。
【００１７】
幾つかの実施形態では、表面感知デバイスは、第３回転軸に対して横切る方向における表面あるいは第３回転軸からずれた表面を感知する。別の実施形態では、表面感知デバイスは、例えば、表面感知デバイスの第３軸の方向において、感知することができる。
【００１８】
表面感知デバイスは、接触プローブあるいは非接触プローブであり得る。非接触プローブは、例えば、光学プローブ、容量性プローブ、および誘導性プローブを含む。
【００１９】
好都合なことには、表面感知デバイスは、プローブ本体、スタイラス、およびスタイラス先端部を備える。
【００２０】
有利には、表面感知デバイスは、表面仕上げプローブを備える。一方、表面感知デバイスは、例えば、レーザースポットプローブ、あるいは、レーザー線プローブを備えることができる。
【００２１】
好ましくは、回転手段は、デバイスに、最大で３６０度まで、３６０度を含めて、回転することを可能にする。しかし、回転手段は、デバイスに、３６０度を越えてまで回転することを可能にしてもよい。代わりに、例えば、プローブとプローブヘッドとの間の電気接触を提供するべくスリップリングを使用することによって、端部停止部なしに、それを連続して回転することを可能にしてもよい。
【００２２】
好都合なことには、回転手段は、付加的に手動で作動可能である。
【００２３】
本発明の第２態様は、被加工物の表面を測定するための装置を用いるための方法であって、その装置は、支持体と、機械の可動アームに支持体を取り付けるための取付手段と、被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、第１回転軸まわりに取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する支持体であって、第２回転軸は、第１回転軸を横切り、表面感知デバイスが、第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、支持体と、第３回転軸まわりの支持体に対する表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、第３回転軸は第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段とを備え、
該方法は、
第１回転軸および第３回転軸を合わせるステップと、そして、
表面感知デバイスに対する支持体の回転を作動させるように、第１モーターを作動させるステップと
を含むことを特徴とする、方法を提供する。
【００２４】
好都合なことには、方法は、被加工物の表面に沿ってデバイスを動かすステップと、そして、被加工物の表面に関する情報を集めるステップとをさらに含む。
【００２５】
好ましくは、被加工物の表面を測定することは、被加工物の表面をスキャンすることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従う装置の好ましい実施形態の等角図を示す。
【図２】図１の軸１Ａおよび２Ａによって定められる平面におけるデバイスの断面を示す図である。
【図３ａ】表面感知デバイスの好ましい実施形態の断面図を示す。
【図３ｂ】表面感知デバイスの好ましい実施形態の側面図を示す。
【図３ｃ】バネ付きピン７２を含むように適合されたスタイラス取替ポート７０の底面側の図、および、有機的に統合されたプローブヘッドに取り付けられた表面感知デバイスの側面図を示す。
【図３ｄ】プローブの基準位置停止を表す、プローブ本体９を通しての平面断面図および側部断面図を示す。
【図３ｅ】表面感知デバイスの、表面仕上げプローブの好ましい実施形態における被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示す。
【図３ｆ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｇ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｈ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｉ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｊ】表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための代わりの手段の概念図を示す。
【図３ｋ】図３ｊに示されたような、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための代わりの手段の平面断面図を示す。
【図３ｌ】図３ｊでは真っ直ぐなスタイラスに対して示されているけれども、表面感知デバイスの、曲げられたスタイラスにおける被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
さて、本発明の好ましい実施形態は、例として、添付図面を参照して説明されるだろう。
【００２８】
図１を参照して、座標位置決め機械における座標系が、相互に直交する３つの軸、１Ａ、２Ａおよび３Ａによって定められ得、使用に際して、１Ａは実質的に垂直であり、３Ａは実質的に水平である。軸１Ａが紙面において０度に位置するようにとられる場合、前記０度の位置から、また紙面において９０度の位置までの動きは、軸２Ａに関しての反時計方向の回転によってもたらされ得る。
【００２９】
図１は、３次元において本発明の好ましい実施形態を示し、図２は、図１の軸１Ａ、２Ａによって定められる平面における装置を通しての断面を示す。支持体７、この場合、有機的に統合されたプローブヘッドは、第１ハウジング部材１および第２ハウジング部材２をそれぞれ含む。第１ハウジング部材１は、位置決め装置２６（例えばＣＭＭのアーム）に取り付けるために適合されていて、第１軸１Ａに関して第１シャフト２０の角変位をもたらすためのモーターＭ１を収容する。第１シャフト２０に取り付けられているのは第２ハウジング部材２であり、それは第２軸２Ａに関して第２シャフト２２の角変位をもたらすためのモーターＭ２を収容する。第２シャフト２２にそれと共に回転するために取り付けられているのは、表面感知プローブのような表面感知デバイス４である。
【００３０】
表面感知プローブ４は、軸２Ａに対して横断すると共に交わる、軸４Ａに沿って延びる。前記プローブは、プローブ本体９、スタイラス８、およびスタイラス先端部５を備える。加えて、プローブには、回転手段６が設けられ、それは、デバイスに、第３軸に関して、この場合、それの長手方向軸に関して概して回転することを可能にする。この実施形態において、回転手段は、デバイスが、最大で３６０度まで回転することを可能にする。
【００３１】
好ましい実施形態において、回転手段は、支持体における駆動部（この実施形態ではモーターＭ１）によって、滑りリングおよび外部取付具を用いて、作動させられる。この場合、２つの作動パーツ間のワイヤーがさらなる回転を抑えるので、デバイスは、最大で３６０度まで回転できる。
【００３２】
この実施形態において、回転手段は、表面感知デバイスのプローブ本体に設けられていて、そのデバイスがその長手方向軸に関して回転することを可能にする。代わりに、回転手段は、支持体と表面感知デバイスとの間に位置付けられる付加的な部材によって提供されてもよい。後者の場合、表面感知デバイスは、付加的な部材の長手方向軸に関して回転し、それは表面感知デバイスの軸に実質的に合わされるべきであり、それ故、そのデバイスはそれの長手方向軸まわりに実質的に回転する。
【００３３】
表面感知デバイスは、例えば、接触プローブあるいは非接触プローブであり得る。非接触プローブは、例えば、光学、キャパシタンス、およびインダクタンスプローブを含む。
【００３４】
特に、本発明は、光学プローブや表面仕上げプローブのような単軸プローブに有効である。これは、特にこれらの種類のプローブにとって、その長手方向軸（軸４Ａ）まわりの回転が、プローブがアクセスできる表面の数を大いに増加させるからである。この軸まわりの回転は、レーザー線プローブで特に有効であり、表面感知デバイスの軸（先に述べたような第３軸）まわりにその線を回転させることを可能にする。
【００３５】
図３ａは、表面感知プローブの好ましい実施形態を通しての断面を示す。プローブは、その長手方向軸まわりの回転のための手段を含む。プローブ本体９は、プローブマウント３０と、主本体パーツ３２と、そして、滑りリング３４とを含む。その主本体パーツは、プローブマウント３０によって一端部３８で保持され、取り外し可能なスタイラス８をそれの他端部で支持する。主本体パーツは、滑りリング３４が適合する凹部３６を、それの外周周りに有する。主本体パーツ３２およびプローブマウント３０は、それらが互いに対して回転可能に動くことができるように取り付けられ、この動きはパーツの材料のために低い滑りトルクを有する。滑りリング３４は、取り外し可能なスタイラス８を支持する、主本体パーツ３２の端部４０により近接して位置する。滑りリング３４と主本体パーツ３２との間の滑りトルクは、主本体パーツ３２とプローブマウント３０との間の滑りトルクよりも大きい。この高い滑りトルクは、２つのパーツ間の摩擦を増加させるように、プローブのリング３４あるいは主本体パーツ３２に対して押す、バネ付きのプランジャーによって成し遂げられ得る。この結果として、滑りリング３４は、プローブの主本体パーツ３２に対して、プローブマウント３０よりも回転することが困難である。プローブマウント３０は、例えば、図３ｃに示されているようなスタイラス取替ポート上にそれを取り付けるために、周溝３１が備えられる。
【００３６】
図３ｂは、表面感知プローブの好ましい実施形態の図の前方を示す。滑りリング３４には、外周周りに配置されたノッチ５０の形式の、一連の凹部が設けられている。図３ｃは、バネ付きのピン７２を含むように適合されたスタイラス取替ポート７０の下面側の図、および、有機的に統合されたプローブヘッド７に取り付けられた表面感知プローブの正面図を示す。
【００３７】
支持体７に対してのスタイラス先端部５の方向を変えるために（図１を見よ）、複数のステップが実行される。初めに、表面感知プローブ４の長手方向軸４Ａは、支持体７の第１ハウジング部材１の回転軸１Ａに合わせられる。表面感知プローブ４は、支持体７の駆動手段Ｍ１によって作動させられて、それの長手方向軸４Ａまわりに回転され得る。デバイスは、スタイラス取替ポート７０へ動かされ、それは、ピンが第１滑りリング３４に設けられたノッチ５０のいずれか１つと係合するように方向付けられたバネ付きピン７２と適合される。
【００３８】
加えて、取替ポート７０は、プローブマウント３０に設けられた溝３１に適合するへり７１を備え、使用しないときに、プローブが、取替ポート７０に格納されることを許容する。
【００３９】
表面感知プローブ４は回転されるので、滑りリング３４のあるノッチ５０ａが、スタイラス取替ポートのバネ付きのピン７２と係合する。ピン７２は、滑りリング３４を動かないように保持する。これは、次にプローブの主本体パーツ３２を保持し、滑りリング３４と主本体パーツ３２との間の高い滑りトルクのために動かないようにスタイラス８を順に保持する。支持体に対してプローブ本体およびスタイラスを動かないように保持する他の方法は可能であり、例えば、ソケットレセプター、磁気ホルダー、機械的クランプ、あるいは、電気機械的クランプ、あるいは摩擦ホルダーがある。
【００４０】
主本体パーツ３２とプローブマウント３０との間の低い滑りトルクは、プローブマウントに、支持体７の回転で、回転し続けることを可能にする。プローブマウント３０と支持体７とは、プローブマウント３０と支持体７とが主本体パーツ３２に対して基準位置に達するまで、主本体パーツ３２に対して回転する。この時点で、プローブマウントおよび主本体パーツは、図３ｄに描かれるように、「スライディングペッグ」メカニズムという手段によって互いに対して停止する。
【００４１】
図３ｄは、プローブ本体９の平面および垂直断面図を示す。曲がったスロット２５は、プローブマウント３０において既知の位置に設けられている。第１停止ブロック５は、２つのスペーサ３５によってスロット２５を介してプローブマウント３０に固定される。スペーサ３５付きの前記第１停止ブロック５は、スロット２５に沿って２つの方向に移動可能である。
【００４２】
第２停止ブロック１５は、プローブの主本体パーツ３２に設けられている。プローブマウント３０はプローブの主本体パーツ３２に対して回転されるので、第１停止ブロック５は、例えば時計方向に第２停止ブロック１５に向けて動かされる。第１停止ブロック５が第２停止ブロック１５に接するとき、プローブマウントは回転し続け、スペーサ３５がスロット２５の縁部４５に接するとき停止する。プローブマウント３０および支持体７の位置は、主本体パーツ３２に対して基準位置に達する。
【００４３】
第１停止ブロック５は、また、反時計方向において第２停止ブロック１５に向けて動かされ得る。２つの停止ブロックが接した後、プローブマウント３０は、スペーサ３５がスロット５５の他の縁部に接するまで、回転し続ける。
【００４４】
第１および第２停止ブロック、並びに、スロットは、プローブマウント３０上の停止ブロックが近づけられる側部と関係なく、このメカニズムが、基準位置が常に正確に同じ位置であることを保証するように、所定の大きさに作られている。
【００４５】
そして、プローブの主本体パーツ３２の位置、したがってスタイラス８およびスタイラス先端部５の位置は、基準位置において、支持体７に対して定められる。支持体に対してプローブ本体の基準位置を定めるための別の方法は、可能である。これらは、例えば、カメラと共に用いるための光学基準マーク、（我々の特許文献４に示されているような）磁気基準マーク、位置調節可能な基準マーク（alignable reference mark）のような、如何なる種類の基準マークを含む。代わりに、デテントメカニズムが用いられてもよい。
【００４６】
基準位置が到達され、プローブの主本体パーツ３２の位置が支持体７に対して定められると、支持体７は、次に、自らを回転させると共に、スタイラス８およびスタイラス先端部５に対して、必要とされる正確な角度に、支持体およびプローブマウントを位置付けるためにプローブマウント３０を回転させることができる。
【００４７】
基準位置からのプローブ本体３２およびスタイラス８に対する支持体の移動は、例えば、支持体７に既に提供されたエンコーダのような、位置決め手段を用いて測定され得る。代わりに、それは例えばスケールおよび副尺を用いて間接的に測定されてもよく、一方は静止したプローブ本体３２あるいは滑りリング３４に設けられ、他方は動くプローブマウント３０あるいは支持体７に設けられるとよい。この場合、ポート内かあるいはポートに対して分かれた観察カメラが、プローブ本体およびスタイラスに対して支持体によって動かされた距離を評価するために用いられてもよく、あるいは、その距離は目によって評価されてもよい。
【００４８】
代わりに、基準位置からのプローブ本体３２およびスタイラス８に対する支持体の移動は、プローブヘッドそのものにおけるエンコーダのような位置決め手段を用いて測定されてもよい。この場合、プローブヘッドにおける位置決め手段は、プローブ本体と支持体との相対位置に関する情報を、支持体のモーターにフィードバックするだろう。
【００４９】
再度代わりに、プローブ本体は、インデクサーを有してもよく、それは、既知の位置に対する、定められた数のインデックスポイントを回転させることができる。
【００５０】
支持体およびプローブマウント３０がスタイラス８およびスタイラス先端部５に対して必要とされる正確な角度に位置付けられたとき、支持体７は、スタイラス取替ポート７０およびバネ付きのピン７２から離れるように駆動され、滑りリング３４を解放する。この方法では、スタイラス先端部５は支持体７に対してプローブの長手方向軸まわりに異なる角度に方向付けられ得、表面感知プローブ４が様々な表面に達することを可能にする。
【００５１】
支持体７に対するスタイラス先端部５の方向付けは、また、例えばプローブ本体９におけるモーターや滑りリングを用いて実行されてもよい。この場合、スタイラス先端部５の方向付けは、支持体７とは関係なく、調整される。
【００５２】
図３ｅは、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示し、この場合、表面仕上げプローブを用いている。プローブ本体９の主本体パーツ３２のレーザー１００は、ミラー１５０に向けてビーム２００を方向付ける。ビーム２００は、ビームスプリッタ１３０へ、孔１１０およびレンズ１２０を通過する。ビーム２００は、ビームスプリッタ１３０を通過し、ミラー１５０上に至って、ビームは、ミラーで反射され、ビームスプリッタ１３０に戻り、そこで、そして光感知ダイオード（ＰＳＤ）１４０に向けて方向付けられる。ミラー１５０は、レバー１６０の基端部に接続され、それは支点２１０上で釣り合わせられる。それの先端部で、レバー１６０は、スタイラスステム１９０の一端部に接続され、スタイラスステム１９０はスタイラス先端部５にそれの他端部で接続される。スキッド１８０は、先端部のいずれかの側部に沿って置かれる。スタイラス先端部５は、表面に沿って引きずられるので壊れないように耐磨耗性があることが必要とされ、好ましくは、ダイヤモンド製先端部である。
【００５３】
図３ｊは、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための別の手段の概念図を示す。ハウジング１８５によって収納された、（図３ｂに示されているような）スタイラス８は、線５００に沿うプローブヘッドから取り外し可能である。レバー１６１は、２枚の交差した板バネ１５５によってスタイラスのハウジング１８５に対して固定されている。スタイラス先端部５が被加工物の表面に接するとき、スタイラス先端部５はスタイラスのハウジングの中へ押し戻されるだろう。この動きは、レバー１６１に、交差バネが合う回転中心まわりに回転することをもたらし、ミラーもまた動かされる。ねじ１７５は、被加工物に向かってスタイラス先端部５を付勢する別のバネ１６５に圧力を与えるために締められることができる。スタイラス先端部５は、典型的には、スキッド１８０の縁部から最大で１００ミクロンまで突き出る。ねじ１９５は、スタイラス先端部５がスキッド１８０の縁部から突き出る量を調節するべく、レバー１６１に隣接して設けられている。
【００５４】
図３ｋは、表面感知デバイスの、図３ｊに示されているような、被加工物の表面との感知関係を検出するための別の手段の平面断面図を示す。レバー１６１は、ミラー１５０に近接して設けられる第１セクション１６１Ｃと、そして、スタイラス先端部５に近接して設けられる第２セクション１６１Ｄとの２つのセクションを有する。第２セクション１６１Ｄは、レバーそしてひいては（スキッド１８０における孔１６２を通してスタイラスから突出する）スタイラス先端部５の横への動きを最小にするように、形は三角形である。
【００５５】
表面感知デバイスは被加工物の表面に沿って動かされるので、スキッド１８０は、ダイヤモンド製先端部５が表面の細かな表面構成に従う間、表面の荒い外形（表面うねり）に従う。ダイヤモンド製先端部５が被加工物の表面によって動かされるので、レバー１６０の位置は変化し、ミラー１５０の位置も変化する。ミラーが動くので、それに向けられたレーザービームは異なる角度で反射され、結果として、図３ｅに示されるように、ＰＳＤ上のレーザースポットが動かされる。このようにして、被加工物の表面の外形は、測定されることができる。図３ｅおよび３ｊにおいて、ダイヤモンド製先端部５の動きは、被加工物の表面２０５の上を移動するので、レバー、ミラー、およびビームの結果として生じる動きは、矢印５ａ、１６０ａ、１６０ｂ、１５０ａ、および２００ａによって示される。ミラーとＰＳＤとの間のビームの偏向させられた経路は、線２０１によって示される。
【００５６】
好ましい実施形態において、スキッドは、プローブスタイラスに対して固定され、プローブスタイラスは堅い。表面感知デバイスは表面に沿って引きずられるので、堅いスタイラスおよび固定されたスキッドは、表面感知デバイスに、実質的に一定のトルクで表面に向かって押されることを可能にする。
【００５７】
別の実施形態において、スタイラスは、それることができ、そしてスキッドは可動であり得る。この場合、スタイラスのそれは、被加工物の表面とのスキッドの接触を測定するために変換されることができる。
【００５８】
図３ｆ、３ｇおよび３ｈ、そして３ｉは、表面感知デバイスのスタイラス先端部５およびスタイラス面３００の向きの４つの実施形態を示す。スタイラス先端部５は、スキッド１８０と直角を成し、スタイラスの面３００に直角を成す。スタイラスの面３００そしてひいてはスタイラス先端部５は、大きな孔の中へ動くとき、スタイラス先端部５を補助するように、図３ｆに示されているようにプローブの長手方向回転軸４Ａに対してある角度で設けられることができる。図３ｇに示されているように、代わりに、スタイラスの面３００は、被加工物の下部で検査するために、プローブの長手方向回転軸４Ａに対して９０度に設けられることができ、この場合、スタイラス先端部５はプローブの長手方向回転軸に平行にある。図３ｈに示されているような第３実施形態において、スタイラス面３００は、プローブの長手方向回転軸４Ａに平行に設けられることができる。この場合、スタイラス先端部５は、プローブの長手方向回転軸に対して直角を成し、小さな穴の内面へのアクセスのし易さを改善する。
【００５９】
図３ｉに示されているような第４実施形態において、スタイラスは、９０度でない角度に曲げられている。スタイラス先端部５は、プローブの長手方向軸４Ａに対して横切る方向を向いている。被加工物の表面を感知するとき、スタイラス先端部５は、表面３０１に直角を成す方向に向かなければならない。有機的に統合されたプローブヘッドの動きおよび有機的に統合されたプローブヘッドの大きさの特定の制限のために、図３ｈに示されているようなまっすぐなスタイラスで、表された直角を成す感知配置を成し遂げることは可能ではない。図３ｉの曲げられたスタイラスは、スタイラス先端部に、プローブヘッドが表面を明確にするように位置づけられることを可能にし、したがって、スタイラス先端部５に、直角を成す位置からより多くの表面にアクセスすることを可能にする。
【００６０】
図３ｌは、表面感知デバイスの、曲げられたスタイラスにおける被加工物の表面との感知関係を感知するための手段の概念図を示す。これは、同様の参照数字が同様のパーツを示す図３ｊに示されたスタイラスと様々に類似する。ハウジング１８５によって収容されたスタイラス５０１は、線５００に沿ってプローブヘッドから取り外し可能である。レバー配置がスタイラスの曲げられた部分に設けられるのに対して、光路配置はスタイラスの真っ直ぐな部分に提供される。ミラーは、真っ直ぐなスタイラスのそれと同様に、ビームスプリッタに対して光ビームが戻るように、ある角度で２つの部分間の境界に設けられている。曲げられたスタイラスが同じ光学そしてひいては同じプローブを用いることができるこの手段は、真っ直ぐなスタイラスによって用いられるように備えられる。
【００６１】
一般に、スタイラス面３００およびスタイラス先端部５は、被加工物の表面アクセスの便利さのために、プローブの長手方向回転軸に対して、任意の角度で設けられることができる。
【００６２】
例えば、プローブ先端部が表面感知デバイスの長手方向軸に合わせられる場合、プローブは、表面感知デバイスの長手方向軸まわりに回転させられるとき、アクセスに関して利点を有さない。結果として、表面感知デバイスをその長手方向軸まわりに回転させることによって、被加工物の表面へのアクセスのし易さを増すという利点から利益を得るために、プローブ先端部は、前記長手方向軸を横切るあるいは長手方向軸からずれていなければならない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、三次元座標測定機（ＣＭＭ）、スキャンニング機械、工作機械、あるいは検査／測定ロボットのような、位置決め装置において使用するための表面感知デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような位置決め機械（例えばＣＭＭを示す特許文献１を見よ）は、被加工物を測定するために用いられ、典型的には、被加工物が支持されるテーブルに対して３方向ｘ、ｙ、ｚに移動可能なアームを備える。方向ｘ、ｙ、ｚの各々に関するアームの移動は、その機械上のトランスデューサーによって測定され、アームに設けられたプローブが測定される被加工物の表面とアームとの間の関係を示す信号を生み出す。したがって、その表面の位置は、測定され得る。
【０００３】
代わりの機械において、例えば、幾つかの種類の工作機械において、テーブルは、ｘおよびｙに関して動き、アームはｚに関して動く。
【０００４】
特許文献２に示されているように、三次元座標測定機に取り付けられる、スキャンニングプローブ装置を提供することは知られている。そのようなスキャンニングプローブ装置は、固定構造物に対して、相互に直交する２つの軸に関して回転可能であるプローブヘッドと、そして、スタイラスを含むプローブアッセンブリとを備える。使用に際して、ヘッドは機械のアームに取り付けられ、それの軸の一方はアームの軸に合わせられる。ヘッドの回転可能な軸の各々に関係付けられたトランスデューサーは、機械のアームの軸に対してプローブアッセンブリの軸の方向を決める。
【０００５】
既知のプローブヘッドの別の例が、レニショウのＰＨ９である。ＰＨ９は、モーター駆動の２軸プローブヘッドであり、それは２つの直列的に接続されたローターによってプローブを方向付ける。ローターの各々は、回転のそれの軸に関して等間隔の、複数の運動学的な静止位置のうちの１つを占めることができる。特許文献３は、コンピュータ制御を有さない機械上で使用するための、このプローブヘッドの手動で動作可能なバージョンに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３７２７１１９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００１０７０１号明細書
【特許文献３】欧州特許第０３９２６６０号明細書
【特許文献４】米国特許第６０５１９７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スキャニング作業の間、機械および／またはプローブヘッドは、被加工物の表面に関するデータを集めるように、機械制御装置からの指示にしたがって、スタイラス先端部に、被加工物の表面上を動くことをもたらす。機械やプローブヘッドの測定トランスデューサーによって提供される信号、および、表面感知デバイスの寸法についての情報から、予測が、スタイラス先端部の位置（そしてひいては表面の位置）に関してなされ得る。典型的な被加工物は、例えば、種々の角度の多くの穴を有する、車のエンジンブロックであり得る。被加工物の全表面から情報を得ることが望ましく、それ故、スタイラスは、表面の全てに達することができなければならない。
【０００８】
多くのプローブ、例えば、接触トリガープローブのようなボールスタイラスを有するそれらは、多方向性である。これは、それらが多くの方向において被加工物を検知することができるということを意味する。しかし、光学プローブおよび表面仕上げプローブのような、幾つかのプローブは、一方向だけに作用する。これは、それらが一方向においてのみ被加工物を検知することができ、それらが達することができる表面の数を限定することを意味する。
【０００９】
被加工物の変化する形状、および、プローブヘッドの動きの物理的範囲や制限のために、スタイラス先端部は、ときどき、被加工物の表面に達することができない。したがって、表面の外形に関する情報を得ることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１態様は、
機械の可動アームに支持体を取り付けるための取付手段と、
第１回転軸まわりに取付手段に対して回転可能である第１部材であって、前記回転が第１モーターによって生じさせられる第１部材と、第２回転軸まわりに第１部材に対して回転可能である第２部材であって、前記回転が第２モーターによって生じさせられる第２部材とを有する支持体であって、第２回転軸は、第１回転軸を横切り、表面感知デバイスが、第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、支持体と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第３回転軸まわりの支持体に対する表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、第３回転軸は第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
第１回転軸および第３回転軸が合わせられるとき、表面感知デバイスに対する支持体の回転は、第１モーターによって作動可能であることを特徴とする、
被加工物の表面を測定するための装置を提供する。
【００１１】
好ましくは、ホルダーが、表面感知デバイスに対する支持体の前記回転の間、表面感知デバイスを動かないように保持するために提供される。
【００１２】
有利には、ピンが、ホルダーおよび表面感知デバイスの一方に設けられ、表面感知デバイスに対する支持体の回転の間、表面感知デバイスを動かないように保持するために、ホルダーおよび表面感知デバイスの他方に関する少なくとも１つの凹部と係合可能である。
【００１３】
好ましくは、支持体の第１回転軸および第２回転軸は、直交する。
【００１４】
有利には、表面感知デバイスの第３回転軸は、支持体の第２軸に交わる。
【００１５】
ある場合には、表面感知デバイスの第３回転軸は、表面感知デバイスの概ね長手方向の軸である。しかし、代わりに、第３軸は、例えば、表面感知デバイスの長手方向軸に対してある角度をなしてもよい。
【００１６】
プローブあるいはスタイラスの第３軸まわりの回転は、単一方向性プローブによってアクセスされ得る表面の数を増すので、単一方向性プローブに、多方向のプローブとして働くことを可能にし得る。
【００１７】
幾つかの実施形態では、表面感知デバイスは、第３回転軸に対して横切る方向における表面あるいは第３回転軸からずれた表面を感知する。別の実施形態では、表面感知デバイスは、例えば、表面感知デバイスの第３軸の方向において、感知することができる。
【００１８】
表面感知デバイスは、接触プローブあるいは非接触プローブであり得る。非接触プローブは、例えば、光学プローブ、容量性プローブ、および誘導性プローブを含む。
【００１９】
好都合なことには、表面感知デバイスは、プローブ本体、スタイラス、およびスタイラス先端部を備える。
【００２０】
有利には、表面感知デバイスは、表面仕上げプローブを備える。一方、表面感知デバイスは、例えば、レーザースポットプローブ、あるいは、レーザー線プローブを備えることができる。
【００２１】
好ましくは、回転手段は、デバイスに、最大で３６０度まで、３６０度を含めて、回転することを可能にする。しかし、回転手段は、デバイスに、３６０度を越えてまで回転することを可能にしてもよい。代わりに、例えば、プローブとプローブヘッドとの間の電気接触を提供するべくスリップリングを使用することによって、端部停止部なしに、それを連続して回転することを可能にしてもよい。
【００２２】
好都合なことには、回転手段は、付加的に手動で作動可能である。
【００２３】
本発明の第２態様は、被加工物の表面を測定するための装置を用いるための方法であって、その装置は、支持体と、機械の可動アームに支持体を取り付けるための取付手段と、被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、第１回転軸まわりに取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する支持体であって、第２回転軸は、第１回転軸を横切り、表面感知デバイスが、第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、支持体と、第３回転軸まわりの支持体に対する表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、第３回転軸は第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段とを備え、
該方法は、
第１回転軸および第３回転軸を合わせるステップと、そして、
表面感知デバイスに対する支持体の回転を作動させるように、第１モーターを作動させるステップと
を含むことを特徴とする、方法を提供する。
【００２４】
好都合なことには、方法は、被加工物の表面に沿ってデバイスを動かすステップと、そして、被加工物の表面に関する情報を集めるステップとをさらに含む。
【００２５】
好ましくは、被加工物の表面を測定することは、被加工物の表面をスキャンすることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従う装置の好ましい実施形態の等角図を示す。
【図２】図１の軸１Ａおよび２Ａによって定められる平面におけるデバイスの断面を示す図である。
【図３ａ】表面感知デバイスの好ましい実施形態の断面図を示す。
【図３ｂ】表面感知デバイスの好ましい実施形態の側面図を示す。
【図３ｃ】バネ付きピン７２を含むように適合されたスタイラス取替ポート７０の底面側の図、および、有機的に統合されたプローブヘッドに取り付けられた表面感知デバイスの側面図を示す。
【図３ｄ】プローブの基準位置停止を表す、プローブ本体９を通しての平面断面図および側部断面図を示す。
【図３ｅ】表面感知デバイスの、表面仕上げプローブの好ましい実施形態における被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示す。
【図３ｆ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｇ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｈ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｉ】表面感知デバイスのスタイラスの実施形態を示す図である。
【図３ｊ】表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための代わりの手段の概念図を示す。
【図３ｋ】図３ｊに示されたような、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための代わりの手段の平面断面図を示す。
【図３ｌ】図３ｊでは真っ直ぐなスタイラスに対して示されているけれども、表面感知デバイスの、曲げられたスタイラスにおける被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
さて、本発明の好ましい実施形態は、例として、添付図面を参照して説明されるだろう。
【００２８】
図１を参照して、座標位置決め機械における座標系が、相互に直交する３つの軸、１Ａ、２Ａおよび３Ａによって定められ得、使用に際して、１Ａは実質的に垂直であり、３Ａは実質的に水平である。軸１Ａが紙面において０度に位置するようにとられる場合、前記０度の位置から、また紙面において９０度の位置までの動きは、軸２Ａに関しての反時計方向の回転によってもたらされ得る。
【００２９】
図１は、３次元において本発明の好ましい実施形態を示し、図２は、図１の軸１Ａ、２Ａによって定められる平面における装置を通しての断面を示す。支持体７、この場合、有機的に統合されたプローブヘッドは、第１ハウジング部材１および第２ハウジング部材２をそれぞれ含む。第１ハウジング部材１は、位置決め装置２６（例えばＣＭＭのアーム）に取り付けるために適合されていて、第１軸１Ａに関して第１シャフト２０の角変位をもたらすためのモーターＭ１を収容する。第１シャフト２０に取り付けられているのは第２ハウジング部材２であり、それは第２軸２Ａに関して第２シャフト２２の角変位をもたらすためのモーターＭ２を収容する。第２シャフト２２にそれと共に回転するために取り付けられているのは、表面感知プローブのような表面感知デバイス４である。
【００３０】
表面感知プローブ４は、軸２Ａに対して横断すると共に交わる、軸４Ａに沿って延びる。前記プローブは、プローブ本体９、スタイラス８、およびスタイラス先端部５を備える。加えて、プローブには、回転手段６が設けられ、それは、デバイスに、第３軸に関して、この場合、それの長手方向軸に関して概して回転することを可能にする。この実施形態において、回転手段は、デバイスが、最大で３６０度まで回転することを可能にする。
【００３１】
好ましい実施形態において、回転手段は、支持体における駆動部（この実施形態ではモーターＭ１）によって、滑りリングおよび外部取付具を用いて、作動させられる。この場合、２つの作動パーツ間のワイヤーがさらなる回転を抑えるので、デバイスは、最大で３６０度まで回転できる。
【００３２】
この実施形態において、回転手段は、表面感知デバイスのプローブ本体に設けられていて、そのデバイスがその長手方向軸に関して回転することを可能にする。代わりに、回転手段は、支持体と表面感知デバイスとの間に位置付けられる付加的な部材によって提供されてもよい。後者の場合、表面感知デバイスは、付加的な部材の長手方向軸に関して回転し、それは表面感知デバイスの軸に実質的に合わされるべきであり、それ故、そのデバイスはそれの長手方向軸まわりに実質的に回転する。
【００３３】
表面感知デバイスは、例えば、接触プローブあるいは非接触プローブであり得る。非接触プローブは、例えば、光学、キャパシタンス、およびインダクタンスプローブを含む。
【００３４】
特に、本発明は、光学プローブや表面仕上げプローブのような単軸プローブに有効である。これは、特にこれらの種類のプローブにとって、その長手方向軸（軸４Ａ）まわりの回転が、プローブがアクセスできる表面の数を大いに増加させるからである。この軸まわりの回転は、レーザー線プローブで特に有効であり、表面感知デバイスの軸（先に述べたような第３軸）まわりにその線を回転させることを可能にする。
【００３５】
図３ａは、表面感知プローブの好ましい実施形態を通しての断面を示す。プローブは、その長手方向軸まわりの回転のための手段を含む。プローブ本体９は、プローブマウント３０と、主本体パーツ３２と、そして、滑りリング３４とを含む。その主本体パーツは、プローブマウント３０によって一端部３８で保持され、取り外し可能なスタイラス８をそれの他端部で支持する。主本体パーツは、滑りリング３４が適合する凹部３６を、それの外周周りに有する。主本体パーツ３２およびプローブマウント３０は、それらが互いに対して回転可能に動くことができるように取り付けられ、この動きはパーツの材料のために低い滑りトルクを有する。滑りリング３４は、取り外し可能なスタイラス８を支持する、主本体パーツ３２の端部４０により近接して位置する。滑りリング３４と主本体パーツ３２との間の滑りトルクは、主本体パーツ３２とプローブマウント３０との間の滑りトルクよりも大きい。この高い滑りトルクは、２つのパーツ間の摩擦を増加させるように、プローブのリング３４あるいは主本体パーツ３２に対して押す、バネ付きのプランジャーによって成し遂げられ得る。この結果として、滑りリング３４は、プローブの主本体パーツ３２に対して、プローブマウント３０よりも回転することが困難である。プローブマウント３０は、例えば、図３ｃに示されているようなスタイラス取替ポート上にそれを取り付けるために、周溝３１が備えられる。
【００３６】
図３ｂは、表面感知プローブの好ましい実施形態の図の前方を示す。滑りリング３４には、外周周りに配置されたノッチ５０の形式の、一連の凹部が設けられている。図３ｃは、バネ付きのピン７２を含むように適合されたスタイラス取替ポート７０の下面側の図、および、有機的に統合されたプローブヘッド７に取り付けられた表面感知プローブの正面図を示す。
【００３７】
支持体７に対してのスタイラス先端部５の方向を変えるために（図１を見よ）、複数のステップが実行される。初めに、表面感知プローブ４の長手方向軸４Ａは、支持体７の第１ハウジング部材１の回転軸１Ａに合わせられる。表面感知プローブ４は、支持体７の駆動手段Ｍ１によって作動させられて、それの長手方向軸４Ａまわりに回転され得る。デバイスは、スタイラス取替ポート７０へ動かされ、それは、ピンが第１滑りリング３４に設けられたノッチ５０のいずれか１つと係合するように方向付けられたバネ付きピン７２と適合される。
【００３８】
加えて、取替ポート７０は、プローブマウント３０に設けられた溝３１に適合するへり７１を備え、使用しないときに、プローブが、取替ポート７０に格納されることを許容する。
【００３９】
表面感知プローブ４は回転されるので、滑りリング３４のあるノッチ５０ａが、スタイラス取替ポートのバネ付きのピン７２と係合する。ピン７２は、滑りリング３４を動かないように保持する。これは、次にプローブの主本体パーツ３２を保持し、滑りリング３４と主本体パーツ３２との間の高い滑りトルクのために動かないようにスタイラス８を順に保持する。支持体に対してプローブ本体およびスタイラスを動かないように保持する他の方法は可能であり、例えば、ソケットレセプター、磁気ホルダー、機械的クランプ、あるいは、電気機械的クランプ、あるいは摩擦ホルダーがある。
【００４０】
主本体パーツ３２とプローブマウント３０との間の低い滑りトルクは、プローブマウントに、支持体７の回転で、回転し続けることを可能にする。プローブマウント３０と支持体７とは、プローブマウント３０と支持体７とが主本体パーツ３２に対して基準位置に達するまで、主本体パーツ３２に対して回転する。この時点で、プローブマウントおよび主本体パーツは、図３ｄに描かれるように、「スライディングペッグ」メカニズムという手段によって互いに対して停止する。
【００４１】
図３ｄは、プローブ本体９の平面および垂直断面図を示す。曲がったスロット２５は、プローブマウント３０において既知の位置に設けられている。第１停止ブロック５は、２つのスペーサ３５によってスロット２５を介してプローブマウント３０に固定される。スペーサ３５付きの前記第１停止ブロック５は、スロット２５に沿って２つの方向に移動可能である。
【００４２】
第２停止ブロック１５は、プローブの主本体パーツ３２に設けられている。プローブマウント３０はプローブの主本体パーツ３２に対して回転されるので、第１停止ブロック５は、例えば時計方向に第２停止ブロック１５に向けて動かされる。第１停止ブロック５が第２停止ブロック１５に接するとき、プローブマウントは回転し続け、スペーサ３５がスロット２５の縁部４５に接するとき停止する。プローブマウント３０および支持体７の位置は、主本体パーツ３２に対して基準位置に達する。
【００４３】
第１停止ブロック５は、また、反時計方向において第２停止ブロック１５に向けて動かされ得る。２つの停止ブロックが接した後、プローブマウント３０は、スペーサ３５がスロット５５の他の縁部に接するまで、回転し続ける。
【００４４】
第１および第２停止ブロック、並びに、スロットは、プローブマウント３０上の停止ブロックが近づけられる側部と関係なく、このメカニズムが、基準位置が常に正確に同じ位置であることを保証するように、所定の大きさに作られている。
【００４５】
そして、プローブの主本体パーツ３２の位置、したがってスタイラス８およびスタイラス先端部５の位置は、基準位置において、支持体７に対して定められる。支持体に対してプローブ本体の基準位置を定めるための別の方法は、可能である。これらは、例えば、カメラと共に用いるための光学基準マーク、（我々の特許文献４に示されているような）磁気基準マーク、位置調節可能な基準マーク（alignable reference mark）のような、如何なる種類の基準マークを含む。代わりに、デテントメカニズムが用いられてもよい。
【００４６】
基準位置が到達され、プローブの主本体パーツ３２の位置が支持体７に対して定められると、支持体７は、次に、自らを回転させると共に、スタイラス８およびスタイラス先端部５に対して、必要とされる正確な角度に、支持体およびプローブマウントを位置付けるためにプローブマウント３０を回転させることができる。
【００４７】
基準位置からのプローブ本体３２およびスタイラス８に対する支持体の移動は、例えば、支持体７に既に提供されたエンコーダのような、位置決め手段を用いて測定され得る。代わりに、それは例えばスケールおよび副尺を用いて間接的に測定されてもよく、一方は静止したプローブ本体３２あるいは滑りリング３４に設けられ、他方は動くプローブマウント３０あるいは支持体７に設けられるとよい。この場合、ポート内かあるいはポートに対して分かれた観察カメラが、プローブ本体およびスタイラスに対して支持体によって動かされた距離を評価するために用いられてもよく、あるいは、その距離は目によって評価されてもよい。
【００４８】
代わりに、基準位置からのプローブ本体３２およびスタイラス８に対する支持体の移動は、プローブヘッドそのものにおけるエンコーダのような位置決め手段を用いて測定されてもよい。この場合、プローブヘッドにおける位置決め手段は、プローブ本体と支持体との相対位置に関する情報を、支持体のモーターにフィードバックするだろう。
【００４９】
再度代わりに、プローブ本体は、インデクサーを有してもよく、それは、既知の位置に対する、定められた数のインデックスポイントを回転させることができる。
【００５０】
支持体およびプローブマウント３０がスタイラス８およびスタイラス先端部５に対して必要とされる正確な角度に位置付けられたとき、支持体７は、スタイラス取替ポート７０およびバネ付きのピン７２から離れるように駆動され、滑りリング３４を解放する。この方法では、スタイラス先端部５は支持体７に対してプローブの長手方向軸まわりに異なる角度に方向付けられ得、表面感知プローブ４が様々な表面に達することを可能にする。
【００５１】
支持体７に対するスタイラス先端部５の方向付けは、また、例えばプローブ本体９におけるモーターや滑りリングを用いて実行されてもよい。この場合、スタイラス先端部５の方向付けは、支持体７とは関係なく、調整される。
【００５２】
図３ｅは、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための手段の概念図を示し、この場合、表面仕上げプローブを用いている。プローブ本体９の主本体パーツ３２のレーザー１００は、ミラー１５０に向けてビーム２００を方向付ける。ビーム２００は、ビームスプリッタ１３０へ、孔１１０およびレンズ１２０を通過する。ビーム２００は、ビームスプリッタ１３０を通過し、ミラー１５０上に至って、ビームは、ミラーで反射され、ビームスプリッタ１３０に戻り、そこで、そして光感知ダイオード（ＰＳＤ）１４０に向けて方向付けられる。ミラー１５０は、レバー１６０の基端部に接続され、それは支点２１０上で釣り合わせられる。それの先端部で、レバー１６０は、スタイラスステム１９０の一端部に接続され、スタイラスステム１９０はスタイラス先端部５にそれの他端部で接続される。スキッド１８０は、先端部のいずれかの側部に沿って置かれる。スタイラス先端部５は、表面に沿って引きずられるので壊れないように耐磨耗性があることが必要とされ、好ましくは、ダイヤモンド製先端部である。
【００５３】
図３ｊは、表面感知デバイスの被加工物の表面との感知関係を検出するための別の手段の概念図を示す。ハウジング１８５によって収納された、（図３ｂに示されているような）スタイラス８は、線５００に沿うプローブヘッドから取り外し可能である。レバー１６１は、２枚の交差した板バネ１５５によってスタイラスのハウジング１８５に対して固定されている。スタイラス先端部５が被加工物の表面に接するとき、スタイラス先端部５はスタイラスのハウジングの中へ押し戻されるだろう。この動きは、レバー１６１に、交差バネが合う回転中心まわりに回転することをもたらし、ミラーもまた動かされる。ねじ１７５は、被加工物に向かってスタイラス先端部５を付勢する別のバネ１６５に圧力を与えるために締められることができる。スタイラス先端部５は、典型的には、スキッド１８０の縁部から最大で１００ミクロンまで突き出る。ねじ１９５は、スタイラス先端部５がスキッド１８０の縁部から突き出る量を調節するべく、レバー１６１に隣接して設けられている。
【００５４】
図３ｋは、表面感知デバイスの、図３ｊに示されているような、被加工物の表面との感知関係を検出するための別の手段の平面断面図を示す。レバー１６１は、ミラー１５０に近接して設けられる第１セクション１６１Ｃと、そして、スタイラス先端部５に近接して設けられる第２セクション１６１Ｄとの２つのセクションを有する。第２セクション１６１Ｄは、レバーそしてひいては（スキッド１８０における孔１６２を通してスタイラスから突出する）スタイラス先端部５の横への動きを最小にするように、形は三角形である。
【００５５】
表面感知デバイスは被加工物の表面に沿って動かされるので、スキッド１８０は、ダイヤモンド製先端部５が表面の細かな表面構成に従う間、表面の荒い外形（表面うねり）に従う。ダイヤモンド製先端部５が被加工物の表面によって動かされるので、レバー１６０の位置は変化し、ミラー１５０の位置も変化する。ミラーが動くので、それに向けられたレーザービームは異なる角度で反射され、結果として、図３ｅに示されるように、ＰＳＤ上のレーザースポットが動かされる。このようにして、被加工物の表面の外形は、測定されることができる。図３ｅおよび３ｊにおいて、ダイヤモンド製先端部５の動きは、被加工物の表面２０５の上を移動するので、レバー、ミラー、およびビームの結果として生じる動きは、矢印５ａ、１６０ａ、１６０ｂ、１５０ａ、および２００ａによって示される。ミラーとＰＳＤとの間のビームの偏向させられた経路は、線２０１によって示される。
【００５６】
好ましい実施形態において、スキッドは、プローブスタイラスに対して固定され、プローブスタイラスは堅い。表面感知デバイスは表面に沿って引きずられるので、堅いスタイラスおよび固定されたスキッドは、表面感知デバイスに、実質的に一定のトルクで表面に向かって押されることを可能にする。
【００５７】
別の実施形態において、スタイラスは、それることができ、そしてスキッドは可動であり得る。この場合、スタイラスのそれは、被加工物の表面とのスキッドの接触を測定するために変換されることができる。
【００５８】
図３ｆ、３ｇおよび３ｈ、そして３ｉは、表面感知デバイスのスタイラス先端部５およびスタイラス面３００の向きの４つの実施形態を示す。スタイラス先端部５は、スキッド１８０と直角を成し、スタイラスの面３００に直角を成す。スタイラスの面３００そしてひいてはスタイラス先端部５は、大きな孔の中へ動くとき、スタイラス先端部５を補助するように、図３ｆに示されているようにプローブの長手方向回転軸４Ａに対してある角度で設けられることができる。図３ｇに示されているように、代わりに、スタイラスの面３００は、被加工物の下部で検査するために、プローブの長手方向回転軸４Ａに対して９０度に設けられることができ、この場合、スタイラス先端部５はプローブの長手方向回転軸に平行にある。図３ｈに示されているような第３実施形態において、スタイラス面３００は、プローブの長手方向回転軸４Ａに平行に設けられることができる。この場合、スタイラス先端部５は、プローブの長手方向回転軸に対して直角を成し、小さな穴の内面へのアクセスのし易さを改善する。
【００５９】
図３ｉに示されているような第４実施形態において、スタイラスは、９０度でない角度に曲げられている。スタイラス先端部５は、プローブの長手方向軸４Ａに対して横切る方向を向いている。被加工物の表面を感知するとき、スタイラス先端部５は、表面３０１に直角を成す方向に向かなければならない。有機的に統合されたプローブヘッドの動きおよび有機的に統合されたプローブヘッドの大きさの特定の制限のために、図３ｈに示されているようなまっすぐなスタイラスで、表された直角を成す感知配置を成し遂げることは可能ではない。図３ｉの曲げられたスタイラスは、スタイラス先端部に、プローブヘッドが表面を明確にするように位置づけられることを可能にし、したがって、スタイラス先端部５に、直角を成す位置からより多くの表面にアクセスすることを可能にする。
【００６０】
図３ｌは、表面感知デバイスの、曲げられたスタイラスにおける被加工物の表面との感知関係を感知するための手段の概念図を示す。これは、同様の参照数字が同様のパーツを示す図３ｊに示されたスタイラスと様々に類似する。ハウジング１８５によって収容されたスタイラス５０１は、線５００に沿ってプローブヘッドから取り外し可能である。レバー配置がスタイラスの曲げられた部分に設けられるのに対して、光路配置はスタイラスの真っ直ぐな部分に提供される。ミラーは、真っ直ぐなスタイラスのそれと同様に、ビームスプリッタに対して光ビームが戻るように、ある角度で２つの部分間の境界に設けられている。曲げられたスタイラスが同じ光学そしてひいては同じプローブを用いることができるこの手段は、真っ直ぐなスタイラスによって用いられるように備えられる。
【００６１】
一般に、スタイラス面３００およびスタイラス先端部５は、被加工物の表面アクセスの便利さのために、プローブの長手方向回転軸に対して、任意の角度で設けられることができる。
【００６２】
例えば、プローブ先端部が表面感知デバイスの長手方向軸に合わせられる場合、プローブは、表面感知デバイスの長手方向軸まわりに回転させられるとき、アクセスに関して利点を有さない。結果として、表面感知デバイスをその長手方向軸まわりに回転させることによって、被加工物の表面へのアクセスのし易さを増すという利点から利益を得るために、プローブ先端部は、前記長手方向軸を横切るあるいは長手方向軸からずれていなければならない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面を測定するための装置であって、
支持体と、
機械の可動アームに該支持体を取り付けるための取付手段と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第１回転軸まわりに前記取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに前記第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する前記支持体であって、前記第２回転軸は、前記第１回転軸を横切り、前記表面感知デバイスが、前記第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、前記支持体と、
第３回転軸まわりの前記支持体に対する前記表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、該第３回転軸は前記第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
前記第１回転軸および前記第３回転軸が合わせられるとき、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の回転は、前記第１モーターによって作動可能であることを特徴とする装置。
【請求項２】
ホルダーが、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の前記回転の間、前記表面感知デバイスを動かないように保持するために提供されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ピンが、前記ホルダーおよび前記表面感知デバイスの一方に設けられ、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の前記回転の間、該表面感知デバイスを動かないように保持するために、前記ホルダーおよび前記表面感知デバイスの他方に関する少なくとも１つの凹部と係合可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記支持体の前記第１回転軸および前記第２回転軸は、直交することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記表面感知デバイスの前記第３回転軸は、前記支持体の前記第２軸に交わることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記表面感知デバイスの前記第３回転軸は、前記表面感知デバイスの概ね長手方向の軸であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記表面感知デバイスは、前記第３回転軸に対して横切る方向における表面あるいは前記第３回転軸からずれた表面を感知することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記表面感知デバイスは、接触プローブであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記表面感知デバイスは、非接触プローブであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記表面感知デバイスは、プローブ本体、スタイラス、およびスタイラス先端部を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記表面感知デバイスは、表面仕上げプローブを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記回転手段は、前記デバイスに、最大で３６０度まで回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記回転手段は、前記デバイスに、３６０度を越えてまで回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記回転手段は、前記デバイスに、連続して回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記回転手段は、付加的に手動で作動可能であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
被加工物の表面を測定するための装置を用いるための方法であって、
該装置は、
支持体と、
機械の可動アームに該支持体を取り付けるための取付手段と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第１回転軸まわりに前記取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに前記第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する前記支持体であって、前記第２回転軸は、前記第１回転軸を横切り、前記表面感知デバイスが、前記第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、前記支持体と、
第３回転軸まわりの前記支持体に対する前記表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、該第３回転軸は前記第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
該方法は、
前記第１回転軸および前記第３回転軸を合わせるステップと、そして、
前記表面感知デバイスに対する前記支持体の回転を生じさせるように、前記第１モーターを作動させるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記被加工物の前記表面に沿って前記デバイスを動かすステップと、そして、
前記被加工物の表面に関する情報を集めるステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
被加工物をスキャンすることを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１】
被加工物の表面を測定するための装置であって、
支持体と、
機械の可動アームに該支持体を取り付けるための取付手段と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第１回転軸まわりに前記取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに前記第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する前記支持体であって、前記第２回転軸は、前記第１回転軸を横切り、前記表面感知デバイスが、前記第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、前記支持体と、
第３回転軸まわりの前記支持体に対する前記表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、該第３回転軸は前記第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
前記第１回転軸および前記第３回転軸が合わせられるとき、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の回転は、前記第１モーターによって作動可能であることを特徴とする装置。
【請求項２】
ホルダーが、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の前記回転の間、前記表面感知デバイスを動かないように保持するために提供されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ピンが、前記ホルダーおよび前記表面感知デバイスの一方に設けられ、前記表面感知デバイスに対する前記支持体の前記回転の間、該表面感知デバイスを動かないように保持するために、前記ホルダーおよび前記表面感知デバイスの他方に関する少なくとも１つの凹部と係合可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記支持体の前記第１回転軸および前記第２回転軸は、直交することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記表面感知デバイスの前記第３回転軸は、前記支持体の前記第２軸に交わることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記表面感知デバイスの前記第３回転軸は、前記表面感知デバイスの概ね長手方向の軸であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記表面感知デバイスは、前記第３回転軸に対して横切る方向における表面あるいは前記第３回転軸からずれた表面を感知することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記表面感知デバイスは、接触プローブであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記表面感知デバイスは、非接触プローブであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記表面感知デバイスは、プローブ本体、スタイラス、およびスタイラス先端部を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記表面感知デバイスは、表面仕上げプローブを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記回転手段は、前記デバイスに、最大で３６０度まで回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記回転手段は、前記デバイスに、３６０度を越えてまで回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記回転手段は、前記デバイスに、連続して回転することを可能にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記回転手段は、付加的に手動で作動可能であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
被加工物の表面を測定するための装置を用いるための方法であって、
該装置は、
支持体と、
機械の可動アームに該支持体を取り付けるための取付手段と、
被加工物の表面を感知するための表面感知デバイスと、
第１回転軸まわりに前記取付手段に対して回転可能であって第１モーターによって動かされる第１部材と、第２回転軸まわりに前記第１部材に対して回転可能であって第２モーターによって動かされる第２部材とを有する前記支持体であって、前記第２回転軸は、前記第１回転軸を横切り、前記表面感知デバイスが、前記第２部材に、それとともに回転するために取り付けられる、前記支持体と、
第３回転軸まわりの前記支持体に対する前記表面感知デバイスの回転を可能にするための回転手段であって、該第３回転軸は前記第１回転軸と合わさることが可能である、回転手段と
を備え、
該方法は、
前記第１回転軸および前記第３回転軸を合わせるステップと、そして、
前記表面感知デバイスに対する前記支持体の回転を生じさせるように、前記第１モーターを作動させるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記被加工物の前記表面に沿って前記デバイスを動かすステップと、そして、
前記被加工物の表面に関する情報を集めるステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
被加工物をスキャンすることを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図３ｇ】
【図３ｈ】
【図３ｉ】
【図３ｊ】
【図３ｋ】
【図３ｌ】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図３ｆ】
【図３ｇ】
【図３ｈ】
【図３ｉ】
【図３ｊ】
【図３ｋ】
【図３ｌ】
【公表番号】特表２０１０−５０２９７６（Ｐ２０１０−５０２９７６Ａ）
【公表日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２７１９１（Ｐ２００９−５２７１９１）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００３２９５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２９０９４
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（３９１００２３０６）レニショウ パブリック リミテッド カンパニー (166)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００３２９５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０２９０９４
【国際公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（３９１００２３０６）レニショウ パブリック リミテッド カンパニー (166)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＩＳＨＡＷ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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