JP2014059035A

JP2014059035A - 移動機構および高さ測定器

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Publication number: JP2014059035A
Application number: JP2012205480A
Authority: JP
Inventors: Takenori Kawazoe; 武徳川添
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構およびその移動機構を用いた高さ測定器を提供する。
【解決手段】Ｚ方向に移動可能に保持されたＺ方向に中心軸１０を有する円柱からなる移動シャフト１と、そのＺ方向に離間して設けた２つの保持機構２および３とを有し、保持機構２および３は、それぞれ、中心に心棒１１を固定し内輪１２と外輪１３との間に複数のボール１４を保持して外輪１３が回転可能に構成された３個のボールベアリング４、５、６および７、８を有している。心棒１１の中心軸２０は中心軸１０に対して垂直であり、第１のボールベアリング４および７はその外輪１３が移動シャフト１の外周面に接触してその接触点２１および２２を−Ｘ方向に押圧するように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方向への移動を行う移動機構およびその移動機構を用いた高さ測定器に関する。

一般に、一方向にシャフトを移動させ、そのシャフトの先端を物体に接触させたときの基準位置からのシャフトの移動量を様々な方法により検出して、その物体の形状を測定する測定器が多く使用されている。高さ測定器もその１つである。このような測定器において高精度の測定を行うためには、シャフトを移動方向へぶれがなく、かつ、再現性よく移動させる手段が必要となる。

従来の測定器における移動シャフトまたはスピンドルを支持する構造例が、特許文献１および２に記載されている。特許文献１においては、中心に心棒を固定し内筒と外筒との間にボールを保持して外筒が回転するベアリングによって、上下方向に移動する円柱状のスピンドルを左右両側から挟み、そのベアリングの外筒にスピンドル形状に係合するＵ字状またはＶ字状の溝を設けた支持構造が記載されている。また、特許文献２においては、上下方向に移動するスピンドルの上部に設けたスピンドルと共に移動するスケールを、固定部のＶ溝と移動部のＶ溝との間にボールを配したリニアベアリングを用いたリニアガイドで構成する方法が記載されている。

特開平１０−３１８７３９号公報特開平６―１８６０１８号公報

上記の従来の特許文献1に記載の支持構造による移動機構では、ボールベアリングを用い、また、上下２箇所で支持する構造であるため、外力に対する耐性を強め、スピンドルの移動に対するぶれの発生を少なくする効果は、ある程度は得られる。しかし、溝を設けた外筒を有するベアリングにより左右両側からスピンドルを挟む構造であり、その溝の形状やベアリングの設定角度のずれなどが移動軸のぶれに対して大きな影響を及ぼすため、移動方向の精度や再現性の点では十分ではない。特に、長いストロークを必要とする移動機構では十分な性能は得られない。また、特許文献２の記載の構成でも、高精度で、かつ長い移動距離を有する移動機構を小型な機構で実現することは難しかった。

そこで、本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構およびその移動機構を用いた高さ測定器を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明は、一方向に移動可能に保持された該移動方向に中心軸を有する移動シャフトと、前記移動シャフトの前記移動方向に離間して設けた２つの保持機構とを有し、該保持機構は、それぞれ、中心に心棒を固定し内輪と外輪との間に複数のボールを保持して前記外輪が回転可能に構成されたボールベアリングを３個有し、該ボールベアリングの心棒の中心軸は前記移動シャフトの中心軸に対して垂直であり、該３個のボールベアリングのうちの第１のボールベアリングは該ボールベアリングの外輪が前記移動シャフトの外周面に接触して該接触点を該移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧するように設定され、他の２つのボールベアリングは、それぞれの外輪が、前記移動シャフトの中心軸を含み前記押圧方向に垂直な面に対して第１のボールベアリングの外輪の前記移動シャフトの外周面との接触点が含まれない側であって前記移動シャフトの中心軸と前記押圧方向とを含む面に対して対象な位置で前記移動シャフトの外周面に接触するように構成されていることを特徴とする移動機構を提供する。

上記のように、本発明では、移動シャフトを特許文献１のように両側２箇所ではなく、３方向からボールベアリングの外輪を接触させて支持し、かつ、そのうちの１つ、すなわち上記の第１のボールベアリングを移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧するように設定している。本発明ではボールベアリングの外輪には溝はなく通常の円筒面であるので、移動シャフトの断面が一様な柱状であればボールベアリングの外輪と移動シャフトの外周の接触は点接触となる。これにより移動シャフトを３方向からの点接触により支持することになり、従来のような溝形状やボールベアリングの心棒の設定ずれによる影響を除くことができる。さらに、本発明では、第１のボールベアリングを移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧するので、３個のボールベアリングの外輪を移動シャフトに均一な圧力で接触させることができ、移動軸のぶれを小さくすることができる。これにより、長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構が得られる。なお、第１のボールベアリングの外輪の接触点に対する他の２つのボールベアリングの外輪の接触点は、各接触点と移動シャフトの中心軸を結ぶ直線が互いに１２０度を成すような設定である場合が最も対称性がよく望ましいと考えられるが、これに限定されるものではなく、例えば、第１のボールベアリングの接触点と上記中心軸を結ぶ直線に対する他の２つの接触点と移動シャフトの中心軸を結ぶ直線が成す角度が、１００度〜１６０度程度の同じ角度となるような設定であってもよい。

第２の観点では、本発明は、前記第1の観点の移動機構において、前記の各保持機構において、前記３個のボールベアリングの外輪と前記移動シャフトの外周面との接触点は、該移動シャフトの中心軸に対して垂直な１つの平面内に存在し、かつ、前記接触点はそれぞれのボールベアリングの外輪の高さ方向のほぼ中心に位置するように設定されていることを特徴とする。このような構成により、移動シャフトは上下に離間した２つの平面内でそれぞれ３点支持され、また、それぞれのボールベアリングは外輪の高さ方向のほぼ中心で移動シャフトに接するので、対称性のよい支持構造となり、さらに高精度な一方向への移動が可能となる。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点の移動機構において、前記第１のボールベアリングの外輪の接触点を前記移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧する手段としてばねを用いたことを特徴とする。このようにばねを利用することにより、簡単な構成で第１のボールベアリングの外輪と移動シャフトとの接触点を押圧することができる。例えば、板ばねやコイルばね、皿ばねなどにより、ボールベアリングの心棒やその心棒を固定した部品などを押すことにより第１のボールベアリングの外輪を移動シャフトに押し付ける構成を用いることができる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の移動機構において、前記第１のボールベアリングの心棒をばねで押すことにより、前記ボールベアリングの外輪の接触点を前記移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧することを特徴とする。例えば、ボールベアリングの内輪に心棒を貫通させ、その心棒の先端をばねで押す構成、またはその心棒の片端または両端を保持した部品をばねで押す構成、その心棒の一端を他端が移動シャフトの中心軸に垂直な面内で動き得るように支え、その他端部分をばねで押す構成などが考えられる。このような構成により、本発明が容易に実現可能となる。

第５の観点では、本発明は、前記第１乃至第４の観点の移動機構において、前記移動方向が上下方向であることを特徴とする。また、第６の観点では、本発明は、前記第５の観点の移動機構を用い、該移動機構の移動シャフトの下端部分に被測定物との接触部を設けたことを特徴とする高さ測定器を提供する。従来、特に高さ測定器において、長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構が要求されており、本発明はこの要求に合致する移動機構を提供できる。

上記のように、本発明により、長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構およびその移動機構を用いた高さ測定器が得られる。

実施例１に係る移動機構の主要部分のみの構成を示す図であり、図１（ａ）は平断面図、図１（ｂ）は側面図。実施例１の移動機構におけるボールベアリングの具体的な取り付け構造の第１の例を示す平断面図。実施例１の移動機構におけるボールベアリングの具体的な取り付け構造の第２の例を示す平断面図。実施例２に係る移動機構の主要部分のみの構成を示す図であり、図２（ａ）は平断面図、図２（ｂ）は側面図。

以下、図面を参照して本発明の移動機構およびその移動機構を用いた高さ測定器を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は、実施例１に係る移動機構の主要部分のみの構成を示す図であり、図１（ａ）は平断面図、図１（ｂ）は側面図である。図１において、本実施例の移動機構は、Ｚ軸方向に移動可能に保持されたＺ軸方向に中心軸１０を有する円柱からなる移動シャフト１と、移動シャフト１のＺ軸方向に離間して設けた２つの保持機構２および３とを有し、保持機構２は、それぞれ、中心に心棒１１を固定し内輪１２と外輪１３との間に複数のボール１４を保持して外輪１３が回転可能に構成された３個のボールベアリング４、５、６を有し、保持機構３もボールベアリング４、５、６と同様な３個のボールベアリング７、８、９（図示されていない）を有している。それぞれのボールベアリングの心棒１１の中心軸２０は移動シャフト１の中心軸１０に対して垂直である。保持機構２および３において、３個のボールベアリングのうちの第１のボールベアリング４および７はそのボールベアリングの外輪１３が移動シャフト１の外周面に接触してその接触点２１および２２を移動シャフト１の中心軸１０に向かう方向、すなわち−Ｘ軸方向に押圧するように設定されている。

他の２つのボールベアリング５および６は、それぞれの外輪が、移動シャフト１の中心軸１０を含みＸ軸に対して垂直な平面に対して第１のボールベアリング４の外輪の移動シャフトの外周面との接触点２１が含まれない側であって、移動シャフト１の中心軸１０と押圧方向すなわち−Ｘ軸方向とを含む面に対して対象な位置で移動シャフト１の外周面に接触するように構成されている。本実施例では、３個のボールベアリングの外輪の移動シャフト１の外周面との接触点は中心軸１０に対してそれぞれ１２０度を成すように設定されている。

また、本実施例においては、保持機構２および３をそれぞれ構成する３個のボールベアリングの外輪と移動シャフト１の外周面との接触点は、移動シャフト１の中心軸１０に対して垂直な１つの平面内に存在し、かつ、それらの接触点はそれぞれのボールベアリングの外輪の高さ方向、すなわち心棒１１の中心軸２０の方向のほぼ中心に位置するように設定されている。

図２、図３は、本実施例の移動機構におけるボールベアリングの具体的な取り付け構造の例を示す平断面図である。

図２は図１の保持機構２におけるボールベアリングの具体的な取り付け構造の第1の例を示すものであり、第１のボールベアリング４の外輪の接触点２１を移動シャフト１の中心軸に向かう方向に押圧する手段として皿ばね３６を用いている。また、第１のボールベアリング４の心棒１１の両端部３０をコ字状のベアリングホルダー３３で保持し、ベアリングホルダー３３の中央部を皿ばね３６を介して固定部３４に取り付けた調整ボルト３５により押すことにより押圧するものである。なお、図２では詳細構造は省略しているが、ベアリングホルダー３３は調整ボルト３５で押圧する方向のみ移動可能で、他の方向には移動できないように固定部３４に固定されている。また、他の２つのボールベアリング５および６は心棒１１の片端部３１が固定部３２に取り付けられている。固定部３２および３４は本実施例の移動機構を使用する装置に３つのボールベアリング４、５、６を固定するための部品であり、それぞれのボールベアリングの取付け位置を調整するための移動調整機構を備えてもよい。

図３は図１の保持機構２におけるボールベアリングの具体的な取り付け構造の第２の例を示すものであり、第１のボールベアリング４の外輪の接触点２１を移動シャフト１の中心軸に向かう方向に押圧する手段として板ばね４６を用いている。また、第１のボールベアリング４の心棒１１の両端部３０を板ばね４６を介してコ字状のベアリングホルダー４３に移動可能に設置された２つの心棒ホルダー４４で保持し、その２つの心棒ホルダー４４をベアリングホルダー４３に取り付けた２つの調整ボルト４５により押すことにより押圧するものである。なお、図３では詳細構造は省略しているが、心棒ホルダー４４は調整ボルト４５で押圧する方向のみ移動可能で、他の方向には移動できないようにベアリングホルダー４３に固定されている。また、他の２つのボールベアリング５および６は図２の第１の例と同様に心棒１１の片端部３１が固定部３２に取り付けられている。固定部３２およびベアリングホルダー４３は本実施例の移動機構を使用する装置に固定される。これらの部品は、それぞれのボールベアリングの取付け位置を調整するための移動調整機構を備えてもよい。

図４は、実施例２に係る移動機構の主要部分のみの構成を示す図であり、図２（ａ）は平断面図、図２（ｂ）は側面図である。図２において、本実施例の移動機構は、Ｚ軸方向に移動可能に保持されたＺ軸方向に中心軸１０を有する円柱からなる移動シャフト１と、移動シャフト１のＺ軸方向に離間して設けた２つの保持機構５２および５３とを有し、保持機構５２は、それぞれ、中心に心棒１１を固定し内輪１２と外輪１３との間に複数のボール１４を保持して外輪１３が回転可能に構成された実施例１と同様な３個のボールベアリング４、５、６を有し、保持機構５３も実施例１と同様な３個のボールベアリング７、８、９（図示されていない）を有している。それぞれのボールベアリングの心棒１１の中心軸２０は移動シャフト１の中心軸１０に対して垂直である。保持機構５２および５３において、３個のボールベアリングのうちの第１のボールベアリング４および７はそのボールベアリングの外輪１３が移動シャフト１の外周面に接触してその接触点２１および２２を移動シャフト１の中心軸１０に向かう方向、すなわち−Ｘ軸方向に押圧するように設定されている。

他の２つのボールベアリング５および６とボールベアリング８および９は、それぞれの外輪が、移動シャフト１の中心軸１０を含みＸ軸に対して垂直な平面に対して第１のボールベアリング４および７の外輪の移動シャフトの外周面との接触点２１および２２が含まれない側であって、移動シャフト１の中心軸１０と押圧方向すなわち−Ｘ軸方向とを含む面に対して対象な位置で移動シャフト１の外周面に接触するように構成されている。但し、本実施例では、ボールベアリング５および６とボールベアリング８および９の外輪の移動シャフト１の外周面との接触点は中心軸１０に対してそれぞれ９０度を成すように設定され、第１のボールベアリング４および７の外輪の移動シャフトの外周面との接触点２１および２２とは、中心軸１０に対して１３５度を成している。

また、本実施例においては、保持機構５２のボールベアリング５および６の外輪の移動シャフトの外周面との接触点は、第１のボールベアリング４の外輪の移動シャフトの外周面との接触点２１よりも＋Ｚ側にあり、保持機構５３のボールベアリング８および９の外輪の移動シャフトの外周面との接触点は、第１のボールベアリング７の外輪の移動シャフトの外周面との接触点２２よりも−Ｚ側にある。なお、それぞれのボールベアリングの外輪の移動シャフトの外周面との接触点はそれぞれのボールベアリングの外輪の高さ方向、すなわち心棒１１の中心軸２０の方向のほぼ中心に位置するように設定されている。

上記のように、本実施例では、各保持機構の３つのボールベアリングの外輪の移動シャフトの外周面との接触点は実施例１のように中心軸１０に対して均等な角度ではないが、第１のボールベアリング４および７の押圧方向に対して他のボールベアリングが対称に支える構成である。また、各保持機構の３つのボールベアリングの接触点は、移動シャフト１の中心軸１０に対して垂直な１つの平面内にはないが、第１のボールベアリング４および７の押圧位置に対して各保持機構の他のボールベアリングの接触点を同じ距離だけ外側、すなわちボールベアリング５および６を＋Ｚ側、ボールベアリング８および９を−Ｚ側に、または内側、すなわちボールベアリング５および６を−Ｚ側、ボールベアリング８および９を＋Ｚ側にずらすことにより、Ｚ軸方向に対しても移動シャフト１を対称に支えることができる。

以上のように、移動シャフトをボールベアリングにより３方向からの３点支持する２つの保持機構を設けることにより、長いストロークの移動に対して従来よりも高精度でぶれが小さい小型の移動機構が得られ、移動シャフトを上下方向に設定してその移動シャフトの下端に被測定物との接触部を設けることにより、長いストロークに渡って高精度を有する高さ測定器が得られる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、移動シャフトの形状は円柱である必要はなく、多角形柱でもよく、または保持機構がある部分だけ円柱であってもよい。また、ボールベアリングは外輪が回転可能であり、移動シャフトと点接触できればその形状や構成も任意に選択できる。例えば、ボールベアリングの外輪が心棒の中心軸方向に凸状になっていてもよい。移動シャフトに対する２つの保持機構の設置位置は、必要とされる移動距離と精度によって決定することができる。

１移動シャフト
２、３、５２、５３保持機構
４、５、６、７、８、９ボールベアリング
１０、２０中心軸
１１心棒
１２内輪
１３外輪
１４ボール
２１、２２接触点
３０両端部
３１片端部
３２、３４固定部
３３、４３ベアリングホルダー
３５、４５調整ボルト
３６皿ばね
４４心棒ホルダー
４６板ばね

Claims

一方向に移動可能に保持された該移動方向に中心軸を有する移動シャフトと、前記移動シャフトの前記移動方向に離間して設けた２つの保持機構とを有し、該保持機構は、それぞれ、中心に心棒を固定し内輪と外輪との間に複数のボールを保持して前記外輪が回転可能に構成されたボールベアリングを３個有し、該ボールベアリングの心棒の中心軸は前記移動シャフトの中心軸に対して垂直であり、該３個のボールベアリングのうちの第１のボールベアリングは該ボールベアリングの外輪が前記移動シャフトの外周面に接触して該接触点を該移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧するように設定され、他の２つのボールベアリングは、それぞれの外輪が、前記移動シャフトの中心軸を含み前記押圧方向に垂直な面に対して第１のボールベアリングの外輪の前記移動シャフトの外周面との接触点が含まれない側であって前記移動シャフトの中心軸と前記押圧方向とを含む面に対して対象な位置で前記移動シャフトの外周に接触するように構成されていることを特徴とする移動機構。
前記の各保持機構において、前記３個のボールベアリングの外輪と前記移動シャフトの外周との接触点は、該移動シャフトの中心軸に対して垂直な１つの平面内に存在し、かつ、前記接触点はそれぞれのボールベアリングの外輪の高さ方向のほぼ中心に位置するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の移動機構。
前記第１のボールベアリングの外輪の接触点を前記移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧する手段としてばねを用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動機構。
前記第１のボールベアリングの心棒をばねで押すことにより、前記ボールベアリングの外輪の接触点を前記移動シャフトの中心軸に向かう方向に押圧することを特徴とする請求項３に記載の移動機構。
前記移動方向が上下方向であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の移動機構。
請求項５に記載の移動機構を用い、該移動機構の移動シャフトの下端部分に被測定物との接触部を設けたことを特徴とする高さ測定器。