JP4203439B2 - 多座標測定機におけるプローブ要素の位置を検出するプローブ位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載した種類の装置に関するものである。すなわち、測定機の座標軸に割り当てられている少なくとも一の第１の基準と、第２の基準とから成る基準系統を有する多座標測定機におけるプローブ要素の三次元位置を直接検出するためのプローブ位置検出装置に関する。

特許文献１によって知られる形状測定機は、上述した種類の装置に相当する。該測定機は、機械的ガイド手段とサーボ装置とから切り離され、ガイドに基づき軌道を修正するための独自の基準系統を有している。該基準系統は、正確な縦長の基準を含んでおり、該縦長の基準は、摺動スライドの個々の座標軸に対して平行に配置されている。そして該基準は、ガイド手段上を移動できる部品によって連続的に走査可能である。基準系統は、その幾何学形状が長期間にわたって安定しており、かつ温度に僅かにしか依存しないように製造されている。しかしながら、このような公知の形状測定機において所定の測定精度を達成するために必要な費用は、装置に要する費用に関しても、また測定技術的費用に関しても相当なものとなる。すなわち基準系統は、その横断面が長方形の総形レールによって形成されている３つの基準によって構成されていて、該基準は互いに隣接する２つの側面で走査軌道を支持している。第１の基準は、マシンベッドに取り付けられている。第２の基準は、垂直なコラムの端面に固定されており、さらにその一方の端部に折曲部品を備えている。該折曲部品は、第１の基準の走査軌道を包摂しており、その結果、第２の基準は第１の基準と結合されている。第３の基準は、第２の基準と適宜結合されている。３つの基準間での両方の結合箇所で、それぞれ複数のセンサが設けられており、該センサは２つの基準間の各相対運動を、その結合箇所に基づき位置と方向に関して検出する。各相対運動はコンピュータまたは演算回路に送られ、該コンピュータはプローブ要素の測定結果、または三次元位置に関する該当する補正値を計算する。この構造によって公知の形状測定機は、極端に剛性の高いマシンベッドを有する形状測定機よりもより優れた動作と、より短い副次タイムと計測タイムとを可能にすることが達成されるべきである。この極端に剛性の高いマシンベッドは、花崗岩で構成されることがあり、該花崗岩上には摺動スライドを介して垂直なコラムが支持されている。該垂直なコラムは、それ自体、再び中実に形成されているか、または重量の大きな鋳鉄構造物、あるいは鋼溶接構造物として形成されている。

また特許文献２は、案内された機械部品の案内誤差を測定し、補正するための方法と装置を開示している。ここで開示されている発明においては、測定機の相対的案内誤差が測定され、測定機のコンピュータに格納されている補正機能によって近似される。その後の測定において座標測定機の誤差を含んだ結果は、補正機能によって修正される。スライドの案内面に対して平行に延伸している角柱状基準は、第１の面と第２の面の上でリニアスケールを支持しており、これらのリニアスケールのうちの一方は二次元である。位置測定システムは、スライドに固定結合された支持本体の三次元位置を決定するために用いられる。該支持本体には読取りヘッドが取り付けられており、該支持本体は、基準に基づき案内されている。このため読取りヘッドまたは支持本体は、基準の面の上に直接装着されている。したがって支持本体は当然基準と接触し、そのため基準は機械式案内面を形成しているため、このことが基本的に不利となる。

さらに特許文献３は、主要な二次元並進基本運動で２つの物体の相対運動の６つの成分を検出するための装置を開示している。これらの物体は、光学的二次元格子スケールを備えたプレートと、構成要素である。該構成要素は、該プレートに対して平行で、平坦な面と、読取りヘッドとしての複数の光学格子とを有している。該構成要素は、反射光の強度変動を評価することによって光学格子が該プレートに対して平行な、Ｘ方向およびＹ方向での相対変位の検出を可能にするように該プレートに接近される。構成要素とプレートとの間の距離を検出するために、少なくとも３つの距離検出装置が設けられている。該距離検出装置は、容量型または誘導型に、あるいはプローブとして形成されている。該装置は、二次元格子スケールを有する一の物体に配置された平坦な面状基準と、別の物体に設けられた平坦な面とを必要とする。該平坦な面は、平坦な面状基準に対して平行に指向されている。

特許文献４は、特に２つの次元において直線測定を実施するために形成されている装置を開示している。この装置においてはワゴンがガイドレール上でベースを介して２つの次元において移動できる。ワゴン上には一の面があって、該面には、測定すべき物体を取り付けることができる。該面の下面は、互いに直角に配置された平行な線から成る第１の光学格子を支持している。プローブは、該面の上に配置されている。ワゴンの下にあるベース上には、２つの垂直な方向においてワゴンの運動を検出するために、２つの読取りヘッドが配置されている。
ＤＥ ４３ ４５ ０９４ Ｃ２ ＤＥ ３１ ５０ ９７７ Ａ１ ＷＯ９９／１７０７３ ＧＢ ２ ０３４ ８８０ Ａ

本発明が解決しようとする課題は、当初述べた種類の装置を構造的に、かつ測定技術的により費用がかからないように形成することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

この課題は、本発明によれば請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。すなわち、測定機の座標軸に割り当てられている少なくとも一の第１の基準と、第２の基準とから成る基準系統を有する多座標測定機におけるプローブの三次元位置を直接検出するためのプローブ位置検出装置において、前記第１の基準４は、主要面１３を有する平坦な面状基準であって、該主要面は、リニアスケール配置７を支持しており、該リニアスケール配置は、少なくとも一の二次元リニアスケール７”を有しており、前記第２の基準２４は、第１の基準４に対して相対的に非接触式に、かつ二次元的に移動可能な延伸された基準であって、該基準は、主要面１３に対して略垂直に配置されており、第１の位置測定システム１０は、第１の基準４に基づいて第２の基準２４の三次元位置を決定するために設けられている。

本発明に係るプローブ位置検出装置において、第２の基準は第１の基準に関して二次元的に移動できる。これによって、一次元基準を有する座標測定機に比較して大幅な簡略化が達成される。その理由は、第３の基準および複数のセンサを削減できるためである。基準間の各結合箇所で測定誤差が生じるため、結合箇所を１つ削減することによって座標測定機の測定精度が向上する。この際、第１の基準に基づいて第２の基準の三次元位置を決定する第１の位置測定システムの作動方法と配置は、座標測定機の機械的構造の小さな幾何学形状的変化が測定精度に影響を及ぼさないように行われる。プローブは、多座標測定機の一の部品に割り当てられるのが望ましく、該部品の三次元位置は第２の基準に基づいて検出される。本発明に係るプローブ位置検出装置は、第１の基準から第２の基準を介してプローブに至るまで連続した測定連鎖を形成できるという可能性を提供する。その際に測定結果を歪曲させる可能性のある何らかの機械的力は、基準に伝達されない。多座標測定機の直線軸の機械的案内品質および再現性とは無関係に、本発明に係るプローブ位置検出装置を用いれば測定誤差を僅かなものとすることができる。その理由は、各時点に関してプローブの正確な位置が、三次元空間において、測定物体に対して相対的に判明しているためである。このため、互いに垂直に配置された３つの直線軸に表れるすべての誤差、例えば真直度誤差、長さ誤差、傾倒誤差に関してコンピュータによる軌道修正は必要でない。この装置を多座標測定機に統合することによって、静的幾何学形状誤差だけでなく動的幾何学形状誤差も記録できる。本発明に係るプローブ位置検出装置の基盤としては、リニアスケール配置を有する平坦な面状基準として形成されている第１の基準が用いられる。該リニアスケール配置は、二次元インクリメンタル測定システムの少なくとも一の高精度十字格子構造物を有しているのが望ましい。第１の平坦な面状基準の主要面は、例えばＸＹ座標方向における基準面を形成することができる。その際にこのリニアスケール配置は、Ｘ座標方向およびＹ座標方向においてスケールの具現化として用いられる。その場合に平坦な面状基準の主要面上での垂線は、Ｚ座標方向を定義する。これによって平坦な面状基準は、多座標測定機における座標系の基盤を形成する。第１の基準に対して相対的な第２の基準の二次元的移動は、Ｘ座標方向およびＹ座標方向に関してクロススライドによって行われるのが望ましい。このクロススライド上にはＺ方向に関する座標軸が位置する。

本発明に係るプローブ位置検出装置の有利な実施形態は、従属請求項の対象を形成している。すなわち、本発明の他の多座標測定機におけるプローブの位置を検出するためのプローブ位置検出装置は、第１の基準４のリニアスケール配置７が、二次元リニアスケール７”と一次元リニアスケール７’とを有している。
また本発明の他のプローブ位置検出装置は、第１の位置測定システム１０が、第１の基準４のリニアスケール配置７を検出するための少なくとも一の第１の読取りヘッド９と、これから離間して第２の読取りヘッド１１とを有し、その際に読取りヘッド９、１１は、第１の基準４の主要面１３と対向して第２の基準２４に設けられている。
さらに本発明の他のプローブ位置検出装置は、第１の位置測定システム１０の両方の読取りヘッド９、１１の内、両方の読取りヘッド９、１１が第１の基準４の二次元リニアスケール７”に割り当てられているか、または一方の読取りヘッドが一次元リニアスケール７’に、他方の第１の基準４の読取りヘッドが二次元リニアスケール７”に各々割り当てられているかのいずれかである。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第１の位置測定システム１０が、仮想正三角形の角に配置された３つの距離センサ１７、１８、１９を有しており、該距離センサは第２の基準２４に基づき第１の基準４と対向する側に設けられている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第２の基準２４がコラム１６に設けられており、該コラムに基づきスライド１４がガイド１２に沿って移動でき、かつスライド１４のガイド１２に対して平行に延伸している。第２の基準２４は、好ましくは多角形状横断面を有する角柱状物体であって、第１および第２の面２８、３０；２８、３２上で二次元リニアスケール２９、３１を支持しており、スライド１４と固定結合可能な、またはスライド１４内に組み込まれている支持本体２２；２３の、第２の基準２４と関連した三次元位置を決定するための第２の位置測定システム２０が設けられている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第２の位置測定システム２０が支持本体２２；２３に設けられ、第２の基準２４の二次元リニアスケール２９、３１の内の第１の二次元リニアスケール２９に割り当てられている第３の読取りヘッド３４と、これから離間している第４の読取りヘッド３６と、第２の基準２４の二次元リニアスケール２９、３１の内の第２の二次元リニアスケール３１に割り当てられ支持本体２２；２３に取り付けられた第５の読取りヘッド３８と、支持本体２２；２３と、二次元リニアスケール２９、３１を備え、第２の基準２４の面２８、３０；２８、３２の内の一の面２８またはこれに平行な面との間の距離を検出するための第４の距離センサ４０とを有している。スライド１４での支持本体２２；２３の配置は、検出過程の際に該支持本体２２；２３が第２の基準２４と接触しないように行われる。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第１および第２の面２８、３０が第２の基準２４の互いに対向し、かつ互いに平行な２つの側面２８、３０である。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第１および第２の面２８、３２が第２の基準２４の側面２８および該側面に対して直角に折曲された端面３２である。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第４の距離センサ４０が支持本体２２；２３でその読取りヘッド３４、３６、３８を基準にして規定された位置に設けられている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、基準４、２４が温度に対して不変な材料によって構成されている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、支持本体２２；２３が温度に対して不変な材料によって構成されている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、スライド１４のガイド１２を形成している２つの離間された長手ガイド１２’、１２”の間に配置するため、第２の基準２４が形成されている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第２の基準２４が、長く引き伸ばされた長方形状プレートである。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、支持本体２２が、その横断面がＵ字型であり、その２つのＵ字型脚部２２’、２２”で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッド３４、３６、または３８を支持している。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、支持本体２３が折曲部であり、その２つの折曲部脚部２３’、２３”で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッド３４、３６、または３８を支持している。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、第５の読取りヘッド３８が、第２の基準２４の縦方向延伸を基準にして第３の読取りヘッドまたは第４の読取りヘッド３４、３６と同じ高さでこれと対向するように、第５の読取りヘッド３８が支持本体２２；２３に設けられている。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、スライド１４がプローブ２と第３の位置測定システム５０とを備えた３Ｄプローブシステム３を支持している。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、プローブシステム３がカンチレバー状保持要素５８によって支持本体２２；２３と直結されている別の読取りヘッド６０、６２を有している。
さらにまた本発明の他のプローブ位置検出装置は、保持要素５８が温度に対して不変な材料によって構成されている。

（実施の形態１）
本発明に係るプローブ位置検出装置の一の実施形態において、第１の基準のリニアスケール配置が、二次元リニアスケールと一次元リニアスケールとを有している場合は、追加的な費用を惹起させる可能性のあるリニアスケール配置におけるすべての冗長性が回避される。

（実施の形態２）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第１の位置測定システムが少なくとも一の第１の読取りヘッドと、これから離間した、第１の基準のリニアスケール配置を検出するための一の第２の読取りヘッドとを有するとき（この際読取りヘッドは第２の基準に基づき第１の基準の主要面に向かい合って設けられている）、第２の基準の位置と角度位置は、第１の基準上に取り付けられたリニアスケール配置と関連して正確に検出することができる。ＸＹ平面内で位置を検出するためには、一の読取りヘッドで十分である。所定の十分に大きな相互間隔を設けて取り付けられている２つの読取りヘッドを使用することによって、Ｚ軸を中心とする角度位置をも追加的に検出することができる。

（実施の形態３）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第１の位置測定システムの２つの読取りヘッドのうち、両方の読取りヘッドが第１の基準の二次元リニアスケールに割り当てられているか、または一方の読取りヘッドが一次元リニアスケールに、他方の読取りヘッドが二次元リニアスケールに各々割当てられているかのいずれかである場合は、目的に応じて位置測定システムの構築に費用がかかったり、逆に費用がさほどかからないことがある。その理由は、一次元リニアスケールに割り当てられた読取りヘッドは、二次元リニアスケールに割り当てられた読取りヘッドよりも低廉であるためである。

（実施の形態４）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第１の位置測定システムは、仮想正三角形の角に配置された３つの距離センサを有しており、該距離センサが第２の基準に基づき第１の基準と対向する側に設けられている場合は、第１の基準の表面と関連して第２の基準の距離と角度位置とを検出できる。そのために距離センサは、十分大きな所定の相互間隔で配置されている。この構造によって、第１の基準によって定義された座標系内において第２の基準の位置と三次元位置を決定することが可能である。

（実施の形態５）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態においては、第２の基準がコラムに設けられており、該コラムでスライドはガイドに沿って移動でき、かつスライドのガイドに対して平行に延伸されている。第２の基準は、望ましくは多角形状横断面を有する角柱状物体であって、第１の面上および第２の面上で二次元リニアスケールを支持している。そしてスライドと固定結合可能な、またはスライド内に組み込まれている支持本体の、第２の基準と関連した三次元位置を決定するための第２の位置測定システムが設けられている場合、第２の基準を多座標測定機に組み込むことができる。その際に第２の基準の二次元リニアスケールを非接触式に検出することによって、スライドの機械的案内品質および該当する座標軸の制限性とは無関係に、僅かな測定誤差を達成することができる。本発明に係るプローブ位置検出装置のこの実施形態によって、すべての誤差、例えば真直度誤差、長さ誤差、および傾倒誤差を垂直な座標軸においても高精度で検出できる。

（実施の形態６）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態においては、第２の位置測定システムが第３の読取りヘッドと、第４の読取りヘッドと、第５の読取りヘッドと、第４の距離センサとを備えている。第３の読取りヘッドは、支持本体に設けられており、第２の基準の二次元リニアスケールに割り当てられている。また第４の読取りヘッドは第３の読取りヘッドから離間されている。第５の読取りヘッドは、第２の基準の二次元リニアスケールのうちの第２の二次元リニアスケールに割り当てられている前記支持本体に取り付けられている。第４の距離センサは、支持本体と二次元リニアスケールとを備えており、第２の基準の面またはこの面に平行な面との間の距離を検出するためのものである。さらに第２の位置測定システムは、スライドでの前記支持本体の配置が、検出過程の際に該支持本体が第２の基準と接触しないように行われている場合は、極めて微少な測定誤差を達成できる。その理由は、機械的構造の幾何学形状的変化が測定誤差に影響を及ぼさないためである。垂直な座標軸において、ガイドに沿って移動可能なスライドの三次元位置を正確に検出できる。その際に第２の基準は、第２の位置測定システム向けのガイドとして用いられるのではないため、接触に起因する、測定結果に悪影響を及ぼす可能性のある力が回避される。第２の基準が支持力および案内力から免れて保持されるように、力に関しては第２の基準を多座標測定機から切り離すことが望ましい。これによって、第２の位置測定システムによって求められた測定結果は、スライドの案内に誤差がないかどうか、またはどの程度の誤差があるかに拘わらず、第２の基準をもとにした支持本体の現在の位置を常に再現している。

（実施の形態７）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第１の面と第２の面が、第２の基準に対して互いに対向しており、かつ互いに平行な２つの側面である場合は、第２の基準は、横断面において長方形状の、延伸されたスケール状物体とすることができる。このようにして第２の基準をもとにした支持本体およびこれと結合されたスライドの位置と三次元位置は、極めて簡単な方法で検出できる。

（実施の形態８）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第１の面と第２の面が、第２の基準の側面および該側面に対して直角に折曲された端面である場合は、この支持本体は、本発明に係るプローブ位置検出装置の上述した実施形態において採用される両方の二次元リニアスケールが対向する互いに平行な２つの側面上に配置されているような用途よりも、特定の用途においてより合理的であり得るような構造を有することができる。

（実施の形態９）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第４の距離センサが、支持本体でその読取りヘッドを基準にして規定された位置に設けられている場合は、距離センサは座標軸に直角な方向において第２の基準の二次元リニアスケールを支持している面に対する、その距離を決定できる。第３の読取りヘッド、第４の読取りヘッドおよび第５の読取りヘッド、並びに第４の距離センサを互いに正確に規定された位置で支持本体に配置することによって、支持本体およびこれと結合されたスライドの位置と三次元位置を再現可能なように決定することができる。

（実施の形態１０）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、前記基準と支持本体が温度に対して不変な材料によって構成されている場合は、測定精度に及ぼす温度の影響を排除することができる。

（実施の形態１１）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、スライドのガイドを形成している２つの離間された長手ガイド間に配置するために第２の基準が形成されている場合は、第２の基準は垂直な座標軸に沿って配置された多座標測定機のコラムに取り付けることができる。これによって、コラムおよびそれによってコラムのガイドの寸法、または位置の変化が、ここで適用された測定値記録方法に基づいて検出される。本発明に係るプローブ位置検出装置の、少なくともこの実施形態を使用するのに適している公知の多座標測定機としては、クリンゲルンベルク社の歯形計測センタＰ６５／Ｐ１００があり、該歯形計測センタは、２００２年のカタログ番号１３５３／Ｄ／ＩＯに開示され説明されている。

（実施の形態１２）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第２の基準が長く延伸された長方形状プレートである場合は、該プレートは、これがスライドの離間された長手ガイドの間でスライドと同じ高さに、またはスライドに対して手前にずらして配置できるような寸法にすることができる。

（実施の形態１３）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、支持本体が、その横断面をＵ字型とし、その２つのＵ字型脚部で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッドを支持している場合は、支持本体は、とりわけ次のようにスライドに固定するのに適している。すなわち、読取りヘッドが第２の基準の対向する互いに平行な２つの面上で二次元リニアスケールを検出することができる。

（実施の形態１４）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、支持本体が折曲部であり、そしてその両方の脚部で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッドを支持している場合は、第２の位置測定システムはリニアスケールを検出するのにとりわけ適している。該リニアスケールは、互いに直角に折曲された２つの面上で第２の基準を支持している。

（実施の形態１５）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、第５の読取りヘッドが第２の基準の縦方向延伸を基準にして第３の読取りヘッド、または第４の読取りヘッドと同じ高さでこれと対向するように第５の読取りヘッドが支持本体に設けられている場合は、両方の読取りヘッドは、その位置を垂直な座標軸の方向において、およびこれに直角な方向において第２の基準のそれぞれ向かい合って取り付けられた十字格子構造物に対して相対的に検出することができる。これら３つの読取りヘッドは共同で、垂直な座標軸を中心にして、および該垂直な座標軸に対して直角な別の座標軸を中心にして支持本体の傾倒を検出することができる。

（実施の形態１６）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、スライドがプローブと第３の位置測定システムとを備えた３Ｄプローブシステムを支持している場合は、プローブの位置とスライドとの間の直接的関連付けを生み出すことができる。

（実施の形態１７）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、プローブシステムが、カンチレバー状保持要素によって支持本体と直結されている別の読取りヘッドを有している場合は、プローブの位置とスライドとの間の直接的関連付けを生み出すことができる。これによって第１の基準によって定義された座標系においてプローブの位置をいつでも決定することができる。

（実施の形態１８）
本発明に係るプローブ位置検出装置の他の実施形態において、保持要素が温度に対して不変な材料によって構成されている場合は、測定連鎖内にあるこの箇所においても測定精度に及ぼす温度の影響を排除することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳述する。

図１は、多座標測定機においてプローブ２の三次元位置を直接検出するためのプローブ位置検出装置（全体として１と表記）を示す。この図において該多座標測定機のうちＺコラム１６と、３Ｄプローブシステム（全体として３と表記）とが示されている。Ｚコラム１６は、図１の上部に示された直交ＸＹＺ座標系のＺ軸を具現している。この図は、剛性物体が有している６つの運動自由度を分かりやすく示している。すなわち３つの並進自由度Ｘ、Ｙ、Ｚと３つの回転自由度Ａ、Ｂ、Ｃとがそれである。ある物体の三次元位置は、これら６つの自由度によって完全に表現できる。ここで説明する例において、その三次元位置が検出されるべき対象物は、既に述べたように３Ｄプローブシステム３の一部であるプローブ２である。該プローブに関しては後ほど詳述する。６つの自由度の方向におけるすべての運動成分を含め、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向におけるプローブ２のすべての運動が検出されねばならない。装置１は、一の基準系統を有しており、該基準系統は、図１に示した実施例において第１の基準４と第２の基準２４とによって構成される。これらの基準は、多座標測定機のＸ軸とＹ軸、およびＺ軸に割り当てられている。ＸおよびＹ座標方向における多座標測定機の軸は、全体として５で示されたクロススライドとして製造されている。クロススライド５は、Ｘスライド５ａとＹスライド５ｂとによって構成されている。Ｘスライド５ａは、図１に模式的に示すように第１の基準４上でＸ方向にスライドできるように案内されている。Ｙスライド５ｂは、Ｘスライド５ａ上でＹ方向にスライドできるように案内されている。これによって第２の基準２４は、クロススライド５によって第１の基準４に対して相対的に二次元的に移動できる。

第１の基準４は、図１において上方に向いた主要面１３を有する平坦な面状基準である。この基準は、図に示した実施例において長方形状のプレートとして製造されている。該プレートは、多座標測定機のベッド６上に固定されている。第１の基準４は、二次元リニアスケール配置７を支持している。該二次元リニアスケール配置は、一次元リニアスケール７’と二次元リニアスケール７”とを有している。一次元リニアスケール７’は、二次元リニアスケールで置き換えることもできる。この場合のリニアスケール配置７は、全体として一の二次元リニアスケールによって構成されることとなる。この例は、図面を見やすくするため図１には図示しない。

Ｚコラム１６は、クロススライド５のＹスライド５ｂ上に固定されており、Ｙスライド５ｂとともに第２の基準２４を次のように支持している。すなわち、第２の基準が第１の基準４の、リニアスケール配置７を支持している主要面１３に対して略垂直に配置されている。第２の基準２４は、Ｙ軸とＺ軸とを含む平面内において縦断面がＬ字型をした物体である。該Ｌ字型物体は、上面図において三角形状足部８を有しており、該足部は、クロススライド５によって第１の基準４に対して平行に、該第１の基準から離間して案内されている。

足部８は、第１の基準４に基づき第２の基準２４の三次元位置を非接触式に決定するための第１の位置測定システム（全体として１０と表記）を支持している。第１の位置測定システム１０は、第１の基準４の二次元リニアスケール７”、または一次元リニアスケール７’を検出するための第１のインクリメンタル式読取りヘッド９と、第２のインクリメンタル式読取りヘッド１１とを有する。これらの読取りヘッドは、第２の基準２４の足部８で第１の基準４の主要面１３の方を向いた側に、互いに離間して設けられている。さらに第１の位置測定システム１０は、仮想正三角形の各頂点に配置された３つの距離センサ１７、１８、１９を有する。該距離センサは、第２の基準２４の足部８で第１の基準４の主要面１３の方を向いた側に設けられている。クロススライド５が移動されると、距離センサ１７、１８、１９がＸＹ平面内において、第１の基準４に対して平行に該第１の基準から僅かな距離だけ離間して移動する。第１の基準４の主要面１３と関係して、第２の基準２４の距離と角度位置が、３つの距離センサ１７、１８、１９によって検出される。両方の読取りヘッド９および１１によって、ＸＹ平面内において第１の基準４に装着されたリニアスケール配置７に関する第２の基準２４の距離と角度位置が検出される。図１において、第１の位置測定システム１０の両方の読取りヘッド９および１１のうち、読取りヘッド９は二次元リニアスケール７”に、ヘッド１１は一次元リニアスケール７’に各々割り当てられている。ただこの配置は、両方の読取りヘッド９、１１が二次元リニアスケール７”に割り当てられているように行うこともできる。図１に図示しないがこのような場合において、読取りヘッド９、１１がクロススライド５の移動範囲全体において二次元リニアスケール７”上に配置されるように、二次元リニアスケール７”が面状に拡張されていなければならない。このために一次元リニアスケール７’を別の二次元リニアスケールに単純に置き換えることも可能であるが、上述の通り図を見やすくするためここでは図示しない。

Ｚコラム１６は、剛性が高く、ねじり剛性の高い、細長く延伸された中空体に形成されている。Ｚコラム１６に基づきスライド１４はガイド（全体として１２で表記）に沿って移動できる。スライド１４のガイド１２は、Ｚ軸に対して直角方向に離間している２つの長手ガイド１２’、１２”によって形成されている。スライド１４は、長手ガイド１２’または１２”をスライド自在に収容している平行な２つの長手溝を有し、３Ｄプローブシステム３を支持している。

プローブ２の三次元位置を検出するためには、スライド１４の三次元位置を検出しなければならない。その際のスライド１４の三次元位置の検出とは、Ｚ座標方向における主要な運動を検出するだけでなく、空間内における剛性物体の全部で６つの自由度の方向において、案内誤差に起因するその他すべての比較的小さな運動も含めて検出することを意味している。このために第２の位置測定システム（全体として２０と表記）が用いられる。この第２の位置測定システムを用いることで、Ｕ字型部品３３によってスライド１４と固定結合されている支持本体２２の三次元位置を、第２の基準２４に基づき決定することができる。第２の基準２４は、スライド１４のガイド１２に対して平行に延伸していて、多角形状断面（図示した実施例においては長方形断面）を有している。第２の基準２４は、Ｚ軸に平行に、かつスライド１４に対して平行に、Ｚコラム１６およびスライド１４から所定の距離をおいて配置されている。図示した実施例において、第２の基準２４は長く延伸された長方形状プレートであって、該プレートは上部で折曲部材２５によってＺコラム１６と固定結合されていて、下部では２つの折曲片２７ａ、２７ｂによってＹスライド５ｂとスライド自在に結合されている。Ｙスライド５ｂは、それ自体Ｚコラム１６と剛性的に結合されている。第２の基準２４は、スライド１４とプローブ２の三次元位置の検出に及ぼす温度の影響をできる限り排除するために、第１の基準４と同様に温度に対して不変な材料によって構成されている。この例では折曲部材２５、Ｕ字型部品３３および折曲片２７ａ、２７ｂは固定式継手またはスライド式継手として表示しているが、これらは説明を容易にするために例示したに過ぎず、本発明の実施においては異なる構造で均等な手段によって構成することもできる。

第２の基準２４は、第１の面（ここでは側面２８）の上で、また第２の面（ここでは側面３０）の上で、それぞれ一の二次元リニアスケール２９または３１を支持している。したがって第１の面と第２の面は、ここでは第２の基準２４を形成している延伸された長方形状プレートの長手側の、対向する互いに平行な２つの外部側面である。

第２の位置測定システム２０は、第２の基準２４のリニアスケール２９、３１を検出するために、第４の読取りヘッド３６と、第５の読取りヘッド３８と、第４の距離センサ４０とを備えている。第４の読取りヘッド３６は、支持本体２２に設けられており、リニアスケール２９に割り当てられている第３の読取りヘッド３４とその下に略垂直に離間して設けられている。また第５の読取りヘッド３８は、リニアスケール３１に割り当てられており、支持本体２２に設けられている。さらに第４の距離センサ４０は、支持本体２２とリニアスケール２９を備え、第２の基準２４の側面２８との距離、またはこれに平行な何らかの面との間の距離を検出する。

このシステムにおいては、スライド１４における支持本体２２の配置は、支持本体も読取りヘッド３４、３６、３８も距離センサ４０も、いかなる箇所でも第２の基準２４と接触し得ないように選択されている。第５の読取りヘッド３８は、これが第２の基準２４の長手延伸に基づき第３の読取りヘッド３４と同じ高さで該第３の読取りヘッドと対向するように、支持本体２２に設けられるのが望ましい。第４の読取りヘッド３６は、３つの読取りヘッド３４、３６、３８が第２の基準２４の縦断面の、Ｚ軸を含む一の平面内において直角三角形の角にあるように、略垂直に離間して第３の読取りヘッド３４の下に配置されている。これに関して第４の距離センサ４０は、規定された位置において支持本体２２に設けられている。すなわち第３の読取りヘッド３４のできる限り近傍に設けられている。支持本体２２は、横断面において（すなわちＺ軸に対して直角方向において）Ｕ字型をしており、その両方のＵ字型脚部２２’、２２”で第３の読取りヘッド３４または第５の読取りヘッド３８を支持している。その際にＵ字型脚部２２’は、第４の読取りヘッド３６が第３の読取りヘッド３４から正確な測定用途に十分な程度離間されるように、垂直下方に延長されている。３つの読取りヘッド３４、３６、３８は、両方の読取りヘッド９および１１と同様、インクリメンタル式光学式読取りヘッドである。第４の距離センサ４０は、容量式センサであるのが望ましいが、誘導式センサ、または光学式センサとすることもできる。二次元リニアスケール２９、３１は、それぞれ十字格子構造物である。第２の基準２４は、ガラス（Zerodur（登録商標））製物体であるのが望ましいが、アンバー鋼（登録商標）製であってもよい。該アンバー鋼も温度に対して不変であるものの、十字構造物を取り付ける用途にはガラスほど適していない。

図１に示した実施例において、支持本体２２はスライド１４の正面側に固定されており、温度に対して不変な材料によって構成されている。またこれに代わって支持本体２２は、スライド１４の統合された構成要素であってもよい。

３Ｄプローブシステム３は、第３の位置測定システム（全体として５０と表記）を有しており、該測定システムは図１よりも図２の拡大図で好適に確認できる。Ｕ字型部品３３は、プローブシステム３の方に向けてカンチレバー２６として延長されている。第３の位置測定システム５０は、平行四辺形連動ロッド（全体として５２と表記）によって移動可能にカンチレバー２６に取り付けられている。プローブ２は、その第２の基準２４に隣接した側で二次元リニアスケール５４と一次元リニアスケール５６とを支持している。支持本体２２のＵ字型ウエブ２２”’は、プローブシステム３に向かってカンチレバー状保持要素５８によって前方に延長されている。該保持要素の自由端部には、２つのインクリメンタル式光学式読取りヘッド６０、６２が配置されている。該光学ヘッドは、二次元リニアスケール５４または一次元リニアスケール５６に割り当てられている。こうしてプローブシステム３に組み込まれた読取りヘッド６０、６２は、保持要素５８を介して支持本体２２と直結されている。これによってプローブの位置２と支持本体２２との間の直接的関連付けを生み出すことができる。これによって第１の基準４によって規定された座標系において、プローブの位置をいつでも決定することができる。Ｕ字型部品３３およびそれによってカンチレバー２６並びに保持要素５８は、同じく温度に対して不変な材料によって構成されている。

図１と図２に示された装置１は、以下のようにして動作する。
クロススライド５によって第２の基準２４がその足部８とともに第１の基準４上を移動させられ、この際第１の基準に接触することがない。読取りヘッド９と１１は、Ｘ方向およびＹ方向において第１の基準４の対向するリニアスケール７”または７’に対して、相対的にそれらの位置を検出する。距離センサ１７、１８、１９は、第１の基準４の主要面１３に対してＺ方向においてそれらの距離を検出する。この構造によって、第１の基準４によって規定された座標系内において第２の基準２４の位置と三次元位置とを決定することができる。

垂直な方向において、Ｚ軸のスライド１４により支持本体２２は第２の基準２４に沿って案内され、その際に該第２の基準に接触することがない。読取りヘッド３４と３８は、Ｚ方向およびＹ方向において第２の基準２４の、それぞれ対向して取り付けられているリニアスケール２９または３１に対して、相対的に該ヘッドの位置を検出する。第４の読取りヘッド３６は、第２の基準２４の側面３８に取り付けられたリニアスケール２９に対して、相対的にＹ方向において該ヘッドの距離を検出する。第４の距離センサ４０は、第２の基準２４の右側で側面２８に対してＸ方向において距離を検出する。３つの読取りヘッド３４、３６、３８と第４の距離センサ４０とを、読取りヘッドを基準として支持本体２２に基づき規定された位置に配置することで、支持本体２２および該支持本体と結合されているスライド１４の位置と三次元位置を、第２の基準２４に関して決定することができる。すなわち、支持本体２２およびスライド１４の運動の全体として、６つの並進運動成分Ｘ、Ｙ、Ｚと回転運動成分Ａ、Ｂ、Ｃを決定することができる。

３Ｄプローブシステム３の読取りヘッド６０、６２は、保持要素５８によって支持本体２２と結合されているので、リニアスケール５４、５６を介してプローブの位置と支持本体２２との間の直接的関連付けを生み出すことができる。これによって、第１の基準４で定義された座標系において、プローブの位置をいつでも正確に決定することができる。

図３は、別の代替例として第２の位置測定システム２１を有する装置（全体として１と表記）の第２の実施例の詳細部分を拡大図で示している。この実施例においては、第１の面と第２の面は側面２８または該側面に対して直角に折曲された端面３２であり、その上方で基準２４が二次元リニアスケール２９または３１を支持している。第５の読取りヘッド３８は、第３の面３２のリニアスケール３１に割り当てられている。第５の読取りヘッド３８に隣接して第４の距離センサ４０は支持本体２３に設けられている。該支持本体２３は折曲部であって、該折曲部はその両方の折曲部脚部２３’、２３”で第３の読取りヘッド３４と、その下に第４の読取りヘッド３６、または第５の読取りヘッド３８を支持している。ここでは図１と図２に係る装置１と同じ構造および同じ作動方法を有しているため、これに関しては改めて説明を要しない。

本発明に係るプローブ位置検出装置の第１の実施例を示す透視図である。 図１に係るプローブ位置検出装置の詳細を示す拡大図である。 他の実施形態として第２の位置測定システムを有する本発明に係るプローブ位置検出装置の第２の実施例を示す拡大詳細図である。

符号の説明

１…装置
２…プローブ
３…プローブシステム
４…第１の基準
５…クロススライド
５ａ…Ｘスライド
５ｂ…Ｙスライド
６…ベッド
７…リニアスケール配置
７’…一次元リニアスケール
７”…二次元リニアスケール
８…足部
９…第１の読取りヘッド
１０…第１の位置測定システム
１１…第２の読取りヘッド
１２…ガイド
１２’、１２”…長手ガイド
１３…主要面
１４…スライド
１６…Ｚコラム
１７…距離センサ
１８…距離センサ
１９…距離センサ
２０…第２の位置測定システム
２１…第２の位置測定システム
２２…支持本体
２２’、２２”…Ｕ字型脚部
２２”’…Ｕ字型ウエブ
２３…支持本体
２３’、２３”…折曲部脚部
２４…第２の基準
２５…折曲部材
２６…カンチレバー
２７ａ、２７ｂ…折曲片
２８…側面
２９…二次元リニアスケール
３０…側面
３１…二次元リニアスケール
３２…端面
３３…Ｕ字型部品
３４…第３の読取りヘッド
３６…第４の読取りヘッド
３８…第５の読取りヘッド
４０…第４の距離センサ
５０…第３の位置測定システム
５２…平行四辺形連動ロッド
５４…二次元リニアスケール
５６…一次元リニアスケール
５８…保持要素
６０…読取りヘッド
６２…読取りヘッド

Claims (14)

1. 測定機の座標軸に割り当てられている少なくとも一の第１の基準(4)と、第２の基準(24)とを有する基準系統を備える多座標測定機における、プローブの三次元位置を直接検出するためのプローブ位置検出装置において、
   前記第１の基準(4)は、主面(13)を有する平坦な面状基準であって、該主面は、リニアスケール配置(7)を支持しており、該リニアスケール配置(7)は、少なくとも一の二次元リニアスケール(7'')を有しており、
   前記第２の基準(24)は、第１の基準(4)に対して非接触で二次元上を相対移動可能な延伸された基準であって、該基準(24)は主面(13)に対して略垂直に配置されており、
   前記プローブ位置検出装置はさらに、第１の基準(4)に対する第２の基準(24)の三次元位置を決定するための第１の位置測定システム(10)を備えており、
   前記第１の位置測定システム(10)は、第１の基準(4)のリニアスケール配置(7)を検出するための、少なくとも一の第１の読取りヘッド(9)及び該第１の読取りヘッド(9)と離間して設けられた第２の読取りヘッド(11)とを有し、これら第１及び第２の読取りヘッド(9, 11)は、第１の基準(4)の主面(13)と対向するように第２の基準(24)に設けられており、
   前記第２の基準(24)がコラム(16)に設けられており、該コラム(16)上ではスライド(14)がガイド(12)に沿って移動でき、かつ前記第２の基準(24)はスライド(14)のガイド(12)と平行に延伸されており、
   前記第２の基準(24)は、多角形状横断面を有する角柱状物体であって、その第１及び第２の面(28, 30; 28, 32)上で二次元リニアスケール(29, 31)を支持しており、
   前記プローブ位置検出装置はさらに、スライド(14)と固定結合可能又はスライド(14)と一体の支持体(22; 23)の、第２の基準(24)に対する三次元位置を決定するための第２の位置測定システム(20)を備えており、
   前記第２の位置測定システム(20)が、
   前記支持体(22; 23)に設けられ、第２の基準(24)の二次元リニアスケール(29, 31)の内、第１の二次元リニアスケール(29)に割り当てられている第３の読取りヘッド(34)及び該第３の読取りヘッド(34)と離間して設けられている第４の読取りヘッド(36)と、
   前記支持体(22; 23)に設けられ、第２の基準(24)の二次元リニアスケール(29, 31)の内、第２の二次元リニアスケール(31)に割り当てられている第５の読取りヘッド(38)と、
   二次元リニアスケール(29, 31)を備える第２の基準(24)を構成する面(28, 30; 28, 32)の内、一の面(28; 32)又はこれに平行な面と、支持本体(22; 23)との間の距離を検出するための第４の距離センサ(40)と、
   を備えており、
   前記支持体(22; 23)は前記スライド(14)上で、検出の際に該支持体(22; 23)が第２の基準(24)と接触しないように配置されてなることを特徴とするプローブ位置検出装置。
2. 前記第１の基準(4)のリニアスケール配置(7)は、二次元リニアスケール(7'')と一次元リニアスケール(7')とを有していることを特徴とする請求項１記載のプローブ位置検出装置。
3. 前記第１の位置測定システム(10)の第１及び第２の読取りヘッド(9, 11)は、第１及び第２の読取りヘッド(9, 11)の両方が第１の基準(4)の二次元リニアスケール(7'')に割り当てられているか、又は一方の読取りヘッドが一次元リニアスケール(7')に、他方の読取りヘッドが二次元リニアスケール(7'')に各々割り当てられているか、のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ位置検出装置。
4. 前記第１の位置測定システム(10)は、仮想正三角形の角に配置された３つの距離センサ(17, 18, 19)を有しており、該距離センサ(17, 18, 19)は第２の基準(24)上で第１の基準(4)と対向する側に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載のプローブ位置検出装置。
5. 前記第１および第２の面(28, 30)が、第２の基準(24)の互いに対向し、かつ互いに平行な２つの側面(28, 30)であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ位置検出装置。
6. 前記第１および第２の面(28, 32)が、第２の基準(24)の側面(28)および該側面に対して直角に折曲された端面(32)であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ位置検出装置。
7. 第４の距離センサ(40)が、支持体(22; 23)上でその読取りヘッド(34, 36, 38)を基準にして規定された位置に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載のプローブ位置検出装置。
8. 前記スライド(14)のガイド(12)を形成している２つの離間された長手ガイド(12', 12'')の間に、第２の基準(24)が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一に記載のプローブ位置検出装置。
9. 前記第２の基準(24)は、延伸された長方形状プレートであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一に記載のプローブ位置検出装置。
10. 前記支持体(22)は、その横断面がＵ字型であり、その２つのＵ字型脚部(22', 22'')で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッド(34, 36,または38)を支持していることを特徴とする請求項５に記載のプローブ位置検出装置。
11. 前記支持体(23)は折曲片であり、その２つの折曲脚部(23', 23'')で第３の読取りヘッドおよび第４の読取りヘッド、または第５の読取りヘッド(34, 36,または38)を支持していることを特徴とする請求項６に記載のプローブ位置検出装置。
12. 前記第５の読取りヘッド(38)が、第２の基準(24)の縦方向延伸を基準にして第３の読取りヘッドまたは第４の読取りヘッド(34, 36)と同じ高さでこれと対向するように、第５の読取りヘッド(38)が支持体(22; 23)に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のプローブ位置検出装置。
13. 前記スライド(14)は、プローブ(2)と第３の位置測定システム(50)とを備えた３Ｄプローブシステム(3)を支持していることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一に記載のプローブ位置検出装置。
14. 前記３Ｄプローブシステム(3)がさらに、カンチレバー状保持要素(58)によって支持体(22; 23)と直結されている別の読取りヘッド(60, 62)を有していることを特徴とする請求項１３記載のプローブ位置検出装置。

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