JP2006030119A - 静圧気体軸受を用いた計測器支持台、計測器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイヤルゲージ（２）等で水平方向の平滑度を計測する際、又はハイトゲージ等で水平方向のけがきをする際の摩擦および振動で計測精度の低下、作業性の非効率をまねく。そこで、計測動作から生じる定盤との摩擦と振動を抑えることにより、計測過程における精度と能率のにつき向上を図る。
また、支持したい計測器が重いとき、定盤等との摩擦を抑えることにより、取り扱いなどの作業能率向上と、維持管理の簡便を図る。
【解決手段】 静圧気体軸受機構を有する計測器支持台（１０）により計測器等を静圧により浮上支持し、計測動作から生じる摩擦を抑制し、振動を抑え、計測機構への負荷を低減し、作業者への重量面での負担を軽くした。
【選択図】 図１

Description

本発明は機械工学において、静圧気体軸受を用いて計測精度と、作業能率の向上を可能にする計測器支持台、および計測器に関するものである。

従来、ダイヤルゲージ等での計測過程で、支持台と定盤との間に、潤滑剤として油脂を用いていた場合は汚れる欠点があり。潤滑剤を使用せず計測作業していた場合は定盤上の計測器や材料の移動、位置決めの際、相互の摩擦により時間と労力を浪費し非能率という欠点があった。

これらの問題に対処するためクリーンに相互の摩擦を減らそうと、計測器支持台を静圧気体軸受で浮上させても、ニューマチィックハンマー（振動）が発生し、計測精度の向上は容易でなかった。該振動が発生しない場合でも支持台の座りが不安定なため計測作業に不向きであった。また静圧気体軸受は、軸受け内の回転運動や軌道上の往復運動での摺動面相互の摩擦を減らすための潤滑に用いるものが大半で、計測目的で平面上を縦横に走らせるものには応用されていない。
特開２００２−３９１８０号公報 十合晋一著「気体軸受設計ガイドブック」共立出版株式会社 ２００２年１月１０日初版

計測器支持台を定盤上で移動しながら計測作業する際、計測器支持台と定盤との相互の摩擦による振動で計測に誤差が生じ、かつ作業性が悪く、重量のある計測器だと長時間、反復する計測作業で従事者の負担になる。さらに、計測器と定盤との摩擦で磨耗による精度低下が相互に生じ、磨耗による汚れが生じ作業性が低下する。
計測器支持台と定盤との摩擦による振動で、計測装置の機構に無用の疲労を与え計測器の精度を低下させるため、計測精度を維持できない。

上記の問題を解決するため、静圧気体軸受（以下静圧と略称す）による浮上支持台で計測器を支持する場合、静圧による支持剛性を上げると、静圧気体軸受特有のニューマチィックハンマーの振動が発生し、支持台と定盤との空隙（ｈ）が一定せず、計測精度を上げることができない。しかも該振動がない状態で、計測器支持台を静圧で単に浮上させても、やはり支持台と定盤との空隙（ｈ）が一定せず、支持台は不安定なため、精度は期待できないので、静圧作動時に支持台の座りの安定と振動発生を防止する静圧浮上支持機構を備えた計測器支持台の提供を目的とする。

そこでこの発明の他の課題は、定盤と計測器支持台・計測器との相互の摩擦を静圧の浮上支持で減少し、計測精度の向上と作業性改善をもたらす計測器支持台・計測器の提供を課題としている。

本発明の第一の特徴は、例えば図２に示すように、通常大気を外部の圧縮機で圧縮した空気が空圧源となるホースから支持台の内部に構成するチャンバーに至り、さらにチャンバー内の圧縮空気が絞られ吐出口（１７）から排出され支持台底面と定盤との間で発生した静圧により支持台自体を浮上支持することで支持台を縦横どの方向にでも容易に移動できる。
従来、静圧といえばスピンドル軸受、リニアガイド等1軸方向にしか自由度が与えられなかったので、２次元平面上に安定した静圧機構を開放した本発明はこの点で大きな特徴がある。

請求項１記載の発明は、計測器支持台の上部に計測器の固定部又は載置部を備え、該計測器支持台底面内側が凹状であり底面外側が凸状で、該凸状面が静圧軸受面領域となりそこに圧縮空気の吐出口を設けたことを特徴とする。請求項１の発明における第１の特徴は浮上支持が出来る静圧気体軸受の吐出口を底面に設けた点にあり、計測器支持台は静圧で浮上し、例えば図１に示すように浮上後供給される空圧源（Ｓ）の圧縮空気を一定圧に保てば支持台と、定盤との空隙（ｈ，ｈ２）も一定となるから、計測器支持台と定盤との摩擦が著しく減少するため、側面からの微小な力で空隙（ｈ、ｈ２）が一定のまま定盤上を非接触で滑ることを特徴とする計測器支持台を提供できる。

加えて、例えば図２のように計測器支持台の上に計測器を乗せず、計測器支持台（１０）の自重約５００ｇのみを静圧で浮上させる場合、空圧源（Ｓ）から１．５気圧で定圧空気を継続して供給すれば定盤との空隙（ｈ）はおよそ４０μｍで一定のまま浮上し続ける。

計測器支持台の底面内側中央部を凹状にすると、底面凹状部の余の外側凸部のみで静圧支持することとなり、座り姿勢が水平状態で安定する計測器支持台を提供できる。

請求項2記載の発明は底面外側の凸状面に圧縮空気の逃げ溝を設けたことを特徴とする請求項１の計測器支持台。底面外側凸部の表面において、底面中央の凹状部から外部へ貫通する溝を形成すると、溝で区切られた同じ面積の凸部区画（静圧軸受面領域）が生じ、それぞれの区画の吐出口から排気された気体は全方向に流れるものの、底面中心部に流れた気体は逃げがないと底面中央凹状部で空気だまりとなり、浮上支持による安定静止状態を妨げる不安定要因になるので、底面中央凹状部の排気をスムーズにし振動の発生を防止し、定盤との空隙が一定である浮上支持つまり安定静止状態を実現するための底面形状を備えたことを特徴とする計測器支持台が提供される。

請求項３記載の発明は外装部を一体にし、その内部面に圧縮空気のチャンバーを形成すための溝構造を設けたことを特徴とする計測器支持台。図３に例示したように、外装部（１０ａ）は一体で計測器支持台の上部面、底面部および側面部を構成する。外装部の内部面（１１ｓ、１１ｓｓ）は本来一つの面であったが、そこに溝構造を設け２面（１１ｓ、１１ｓｓ）となった。溝構造とは１１ｇ，１１ｕ，１１ｔの３面で構成されるものをいう。そこへコマ（１４）が挿入されるとコマの側面（図２−１４ａ）と該溝構造の３面の合計４面でチャンバーが形成する計測器支持台が提供される。

請求項4記載の発明は、計測器の重心位置を自在に設定できる固定部又は載置部を設けたことを特徴とする請求項１の計測器支持台である。例えば図１に示すように計測器支持台の上部に計測器を設置すると計測器の重心（Ｇ２）が必ずしも計測器支持台の重心（Ｇ１）の真上にあるとは限らない。アーム（Ａｍ）を左へ伸ばせば計測器の重心が左へ移り、計測器と連結した支持台の重心（Ｇ３）も左へ移動し、物理的構成に変化を生じる。そのため定盤との空隙（ｈ）は計測器の重心が存する方（ｈ２）が小さくなり、計測器支持台の底面は傾斜するが、計測に際し当然に重心が移った所で計測器を固定してしまうため、該底面の傾斜は一定となる計測器の固定部又は載置部を設けたことを特徴とする計測器支持台を提供できる。

請求項５記載の発明は、計測器の底面内側が凹状であり底面外側が凸状で、該凸状面が静圧軸受面領域となり、そこに圧縮空気の吐出口と圧縮空気の逃げ溝を設けたことを特徴とする計測器を提供する。例えば図６に示すように、静圧軸受面領域をハイトゲージ（３０）の底面に設け、浮上支持で定盤上などを移動できることにより、静圧による気体潤滑で定盤等と非接触とすることで定盤との摩擦を著しく減少し、側面からの微小な力で定盤上を移動しながら計測できることを特徴とする計測器（ハイトゲージ等）を提供できる。

請求項１記載の発明によれば、ダイヤルゲージ（２）などを計測器支持台の上部（１１ａ）に設置し水平方向の平滑度を計測する際、吐出口を底面（１１ｂ）の静圧軸受面領域に設けたことより静圧によって計測器支持台は浮上支持で定盤と非接触で摩擦が著しく減少するため、従来のように計測器支持台の底面（１１ｂ）と定盤（３）との直接接触での摩擦による振動がないので、ダイヤルゲージ（２）などの計測機構に無用の負荷がかからず、従来以上に精度の維持につながり、また、静圧で浮上後供給される圧縮空気を一定圧に保てば支持台（１０）と、定盤との空隙（ｈ）も一定であるから、計測器支持台と定盤との摩擦が著しく減少するため、側面からの微小な力で空隙（ｈ）が一定のまま定盤上を非接触で滑ることができるため、上記の振動による計測の誤差も生じず従来よりも精度の高い計測が出来さらに、計測器支持台の底面（１１ｂ）と定盤とのあいだの摩擦が著しく減少するため利用者にとって負荷が低減され作業性を向上できる。

計測器支持台の底面内側中央部を凹状にすることで、余の底面外側凸部のみが静圧軸受面領域となり、計測器支持台を該静圧軸受面領域が静圧で浮上支持することとなり、計測器支持台の座り姿勢が水平状態で安定するため、水平方向の平滑度等の計測精度を高めることができる。

請求項２の発明によれば、計測器支持台の底面内側中央部を凹状にし、余の底面外側凸部表面において、底面中央の凹状部から外部へ貫通する溝を形成すると、溝で区切られた同じ面積の区画が生じるが、それぞれの区画の中央部分に静圧気体軸受の吐出口を配置することにより底面内側中央凹状部（図２−１６）の空気だまりの排気をスムーズにしニューマチィックハンマー（振動）の発生を防止し、定盤との空隙（ｈ）が一定である浮上支持つまり安定静止状態を実現を確実にでき水平方向の平滑度等の計測精度向上がはかれるので、静圧軸受を、直接計測にかかわる機構の一部とすることができる。

請求項３の発明によれば、外装部（１０ａ）は一体で計測器支持台の上部面、底面部および側面部を構成するので、部品点数が少なく、加工性が良い。コマ（１４）が挿入されるとコマの側面（１４ａ）と該溝構造の３面でチャンバーを形成するので図２のようにコマをねじ構造で固定する場合、チャンバーの密閉の保持はＯリングによるため、無用にコマを締め付ける必要が無く計測器支持台に疲労を与えない。

図１に例示したように、計測器支持台上部の固定部に計測器を設置すると、計測器の重心（Ｇ２）がある方向へ計測器と連結した支持台の重心（Ｇ３）は移動し底面は傾斜するが、計測器支持台は浮上支持のまま傾斜は一定で安定静止状態を維持するので、計測状況に従いダイヤルゲージのアームを任意に伸ばすことで計測器の重心位置を自在に設定できる。よって、浮上支持のまま計測動作を継続する際、底面の傾斜を水平に戻す必要がないというのが請求項４の発明の効果である。

請求項５記載の発明によれば、浮上支持で定盤上を移動できる静圧気体軸受の吐出口と逃げ溝を計測器の底面に設けたことにより、静圧による気体潤滑で定盤と非接触とすることで定盤との摩擦を著しく減少し、側面からの微小な力で定盤上を移動できるので、移動が容易でない重量が過大な計測器でも、静圧による浮上で、浮上支持のまま精度の高い計測と、簡便な計測ポイントまでの移動ができ、作業を容易にできる利点がある。

計測器支持台底面からの静圧により、定盤上を安定して浮上するという目的を、少ない部品点数で、かつ重量物に耐える支持台を実現した。

図１は本発明の第１実施例を示したものである。ダイヤルゲージ（２）は計測器支持台（１０）の上部面（１１ａ）中央に支柱（Ｐ）をもって設置しアームを任意の長さにして平滑度の計測をおこなう。重心（Ｇ３）はアーム（Ａｍ）を任意の長さにするたび異なるが底面（１１ｂ）は傾斜したまま安定静止状態を維持する。図１では、ダイヤルゲージの重心（Ｇ２）が計測器支持台の重心（Ｇ１）の真上に位置すれば、ダイヤルゲージを連結した計測器支持台の重心（Ｇ３）は図１の様に乖離せず一致するため空隙ｈとｈ２は等しくなる。本図のダイヤルゲージの重心（Ｇ２）が計測器支持台の重心（Ｇ１）の真上に位置しないので、ダイヤルゲージを連結した計測器支持台の重心（Ｇ３）は図１の様に乖離してしまい、空隙ｈ２はｈよりも小さくなる。つまり、底面（１１ｂ）は傾斜したまま安定静止状態を維持し計測を継続できる。
上部面が平らなので支柱の下端に載置用のマグネット台を有するものならば、支持台上部面の任意の場所に計測器を載置する設置方法もある。この場合でも重心（Ｇ３）は、支持台上部面の任意の場所に計測器を載置するたび異なるが底面（１１ｂ）は傾斜したまま安定静止状態を維持し計測を継続できる。

図２は計測器支持台（１０）の断面図を示したものである。静圧用の圧縮空気は通常大気を用い、空圧源（Ｓ）のホースを支持台の側面の穴（Ｗ）に取り付けることによりそこから伸びるトンネル（１９）を通過して、チャンバー（１５）内に送り込まれる。チャンバーは外装部（１０ａ）にコマ（１４）が入ることにより環状の密閉された空間となり、内部は等圧の空気で満たされる。チャンバー内に送り込まれた圧縮空気はOリングによって密閉が保持される。その結果、チャンバーより圧縮空気が絞られ底面の全部の吐出口（１７）から排気され計測器支持台の底面（１１ｂ）と定盤（３）との間に発生した静圧により、定盤との間にわずかな空隙（ｈ）を継続して形成する。計測器支持台（１０）は、静圧用の圧縮空気が空圧源より一定圧で供給されれば、定盤との間の空隙（ｈ）も一定で浮上する。

図２について、コマ（１４）を支持台（１０）に固定する方法として、取付ボルトを用いたりあるいは、支持台の内凹部自体にねじ山を切り、ねじ状のコマを入れる等の方法が考えられるが、本例では計測器の支柱（Ｐ）を立てることが出来る竪穴（Ｍ）を設けたアタッチメント（Ａ）をボルト状にして計測器支持台（１０）の上部面（１１ａ）中央より挿入し、ねじ構造でコマを固定する形状とした。そして、アタッチメント中央穴（Ｍ）のサイズを各種そろえておけば、簡素なアタッチメントを取り替えるだけで、計測器支柱（図１−Ｐ）の径のサイズが換わっても、サイズ径の異なる支柱を有する計測器が使用でき、しかも、コマを固定ボルトを兼ねているため部品点数の減少になる。

図３は計測器支持台（１０）の断面図でコマ（１４）を設置していない状態で、外装部（１０ａ）を主に表記した。コマ（図２−１４）の外径は外装部の内側面（１１ｓ）の径より公差分だけ小さくほぼ同寸で、コマは外装部の内側面（１１ｓ）に沿って挿入する。外装部内部とコマ上部の回転体階段構造の凸凹は相互に噛み合うよう対応し、（１１ｆ）面で双方が接触して挿入が停止するのが好ましい。その結果、外装部の内部面（１１ｇ，１１ｕ，１１ｔ）とコマの側面（１４ａ）の４面で閉鎖された環状チャンバー（１５）が形成される。該チャンバーの密閉度を上げるため、外装部とコマとの接触面（１１ｓ，１１ｓｓ）においてＯリング（１８）等の環状パッキンを設けるのが好ましい。

図４は計測器支持台（１０）の底面を示した。形状を円形としたのは、旋盤による成形加工の容易さと、定盤との接触頻度を減らすためである。チャンバー（図２−１５）内に送り込まれた圧縮空気は、底面の６つ全部の吐出口（１７）から排出される。そして、底面の６つの吐出口は等間隔で配置した。底面外周（ＣＬ）と内凹部外周（ＣＳ）は同心円で、底面凸部を底面の出来るだけ外側に配置して座りの安定を確保するため、内凹部外周（ＣＳ）の直径は底面外周（ＣＬ）の直径の１／２以上であることが好まれる。

図４の計測器支持台の底面にある６本の溝は、図２の底面内側凹部（１６）の空間に生じる空気だまりを外部へ逃がすために設けた気体排気溝である。溝数を多くしたり溝幅を広げたりすると、空気が逃げ易いので圧縮空気の消費量は増えるがニューマチィックハンマー（振動）発生は起き難い。気体排気溝と吐出口（１７）とは等間隔で、かつ溝は放射状に配置した。また、ニューマチィックハンマー（振動）発生を予防するため、底面に設けた吐出口の形状は、自成絞り（２１１）が好ましい。吐出口の穴径は小さいと絞り効果が大きく静圧剛性が上がるが、汚れによる目づまりが生じ易い。穴径は大きいと汚れによる目づまりが生じ難いが、絞り効果は小さく静圧剛性が下がり浮上支持が難しくなる。そのため、使用目的に応じて吐出口の穴径を決めるのが好ましい。

図４の支持台の底面（ＣＬ）と（ＣＳ）の間の静圧軸受面領域であるドーナツ型の底面凸部（１９ａ）の表面は、鏡面仕上げであることおよび、鏡面仕上げ状態を維持するために、計測器支持台に鉄鋼材を用いた場合は焼きいれなどで硬度を高めておくことが好ましい。なぜなら、該凸部平面に何らかの衝撃でひずみ突出部を生じると、その部分が定盤と接触し支持台の浮上支持が難しくなるためである。

図５（側面図）は計測器支持台（１０）の断面図で図４の溝の代わりに
排気トンネル（１９ｅ）を設け、圧縮空気の逃げを実施する例である。この形態の長所は底面凸部（１９ａ）は溝がない分面積が大きいため、吐出口からの排気量が同じでも高い静圧剛性が得られる。そのため、排気トンネルの成形に手間がかかるという欠点があるものの、重量の大きな物を支持したい場合に採用の可能性を見出せる形態である。

図６は本発明の第３の実施例を示したものである。ハイトゲージを該底面の静圧気体軸受で浮上支持し、その状態で計測・けがき作業できる構造とした。そのため、ニューマチィックハンマー（振動）発生の予防を考慮すると、底面に設けた吐出口の形状は、自成絞り（２１１）が好ましい。底面凸部（３８）に溝（３７）を４本放射状に配置し、４つの概ね面積の等しい静圧軸受面領域を形成する。おのおのの該静圧軸受面領域に２個づつ吐出口を設け、それぞれの静圧剛性も概ね等しくなるような吐出口の配置とした。

ハイトゲージの重心が、プローブ（３２）側に偏心している場合、脱着可能なウェイト（３３）を台上部面（３１ａ）に配置するのが好ましい。

実施例１乃至実施例２のいずれの場合においても、使用する定盤表面の平滑度、平坦度は精度のより高い状態が好ましい。

図７は圧縮空気絞り機構（２１０）の断面図である。空圧源（Ｓ）から圧縮空気がチャンバー（２１３）に供給され、チャンバー出口（２１３ａ）で圧縮空気が絞られ下方（矢印方向）へ流れ、該機構底面（２１５）より外部へ吐出する際絞り効果が発揮される。そこで、吐出口の形状によって絞り効果が異なる。絞った孔径のまま吐出する形状を自成絞り（２１１）、吐出口にポッケト（２１４）を設けるものをオリフィス絞り（２１４）と呼び、両者は絞り効果が異なるので目的に応じて使い分けられる。
（従来の形態）

図８は図４に対応した旧来の計測器支持台の底面を示した。底面中央部に凹部、また逃げ溝がなく、圧縮空気の吐出口が外側に寄せて配置してないため座り安定性が悪く、該形状はニューマチィックハンマーが発生しやすく計測作業に不向きであった。

本発明は、設計、加工、組立、いずれの場面でも利用されうる。静圧で浮上支持しようとする目的物が重量物であるほど、利用価値がある。また、実施例１，２，３を組み合わせて使用すればある程度の３次元測定が簡便になる。門型の３次元測定器のように熱変異、自重によるたわみ等の構造的ひずみがほとんど問題にならず、高精度を期待できる。

計測器支持台の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 計測器支持台の断面図（実施例１） 計測器支持台の断面図（実施例１） 計測器支持台の底面図（実施例１） 計測器支持台の断面図、底面図（実施例１） 計測器の実施方法を示した説明図である。（実施例２） 絞りの形態断面図 従来の技術

符号の説明

１５ チャンバー
２５ チャンバー
３５ チャンバー
２１３ チャンバー
ｈ 空隙
ｈ２ 空隙
Ｓ 空圧源
２１１ 自成絞り
２１２ オリフィス絞り

Claims (5)

1. 計測器支持台の上部に計測器の固定部又は載置部を備え、該計測器支持台底面内側が凹状でありで底面外側が凸状で、該凸状面が静圧軸受面領域となり、そこに圧縮空気の吐出口を設けたことを特徴とする計測器支持台。
2. 底面外側の凸状面に圧縮空気の逃げ溝を設けたことを特徴とする請求項１の計測器支持台。
3. 外装部を一体にし、その内部面に圧縮空気のチャンバーを形成すための溝構造を設けたことを特徴とする請求項１の計測器支持台。
4. 計測器の重心位置を自在に設定できる固定部又は載置部を設けたことを特徴とする請求項１の計測器支持台。
5. 計測器の底面内側が凹状であり底面外側が凸状で、該凸状面が静圧軸受面領域となり、そこに圧縮空気の吐出口と圧縮空気の逃げ溝を設けたことを特徴とする計測器。

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