JP2014502338A

JP2014502338A - 計測装置

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Publication number: JP2014502338A
Application number: JP2013520201A
Authority: JP
Inventors: ロバーツマクマートリーデービッド; ポールハンタースティーブン
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2014-01-30
Also published as: EP2596319A2; CN103003658B; WO2012010836A2; CN103003658A; WO2012010836A3; EP2596319B1; GB201012249D0; US20130111774A1; US9052177B2

Abstract

軸受構成により第２の構造物（２２）に回転可能に接続される第１の構造物（２０）を備える計測装置が説明される。軸受構成は、第２の構造物（２２）に対して第１の構造物（２０）が回転するときに摺動接触する部分（２８、３４、３０、３６）を備える第１の摩擦軸受を少なくとも含む。装置は、第１の摩擦軸受上の荷重を低減する少なくとも１つの磁石（５２、５４；６０、６２）を備える。引力構成または反発構成となるように提供される複数の磁石が使用され得る。計測装置は、座標位置決め装置（２）のための関節式プローブヘッド（１２）を備えることができる。

Description

本発明は、少なくとも１つの摩擦軸受を備える計測装置に関し、より詳細には、摩擦軸受によって担持される荷重を低減するための少なくとも１つの磁石を含む座標位置決め装置のための関節式プローブヘッドの形態の計測装置に関する。

多くの異なる計測学的用途では、２つの構造物の相対運動を正確に制御することが必要である。例えば、座標測定機械（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ（ＣＭＭ））のクイルに測定プローブを設置することが知られており、ここでは、２つの回転軸の周りにクイルに対して測定プローブを回転させることができる関節式プローブヘッドが使用される。既に、必要とされるレベルの精度で回転軸を画定するための種々の異なるタイプの軸受を含む関節式プローブヘッドが提案されている。例えば、関節式プローブヘッド内で高精度空気軸受を使用することが記載されている（例えば、特許文献１参照）。このような空気軸受構成は必要な精度を提供することができるが、この軸受の種々の構成要素は厳格な公差に合わせて製造される必要があり、それにより軸受が比較的大型かつ高価になる。関節式プローブヘッド内で使用されるより安価でより小型の摩擦軸受構成の種々の例も既に記載されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、本発明者らは、これらの摩擦軸受を使用することによって得られる性能が、特に高荷重下で、許容され得ない可能性があることを発見した。

国際公開第２００８／００１０６９号パンフレット欧州特許第１３０７７１０号明細書

本発明の第１の態様によると、軸受構成により第２の構造物に回転可能に接続される第１の構造物を備える計測装置が提供され、軸受構成は、第２の構造物に対して第１の構造物が回転するときに摺動接触する部分を備える第１の摩擦軸受を少なくとも含み、装置は、第１の摩擦軸受上の荷重を低減する少なくとも１つの磁石を備えることを特徴とする。

したがって、本発明は計測装置を提供し、ここでは、２つの構造物を接続させる第１の摩擦軸受によって担持される機械的荷重が、１つまたは複数の磁石が包含されることにより低減される。言い換えると、第１の構造物と第２の構造物との間で伝達される荷重の少なくとも一部を担持するために、磁力（非接触力）が第１の摩擦軸受に平行に提供される。このようにして、第１の摩擦軸受によって担持される荷重は、少なくとも１つの磁石が存在しない場合に担持される荷重を基準として、低減される。

摩擦軸受は、定義上、互いに物理的に接触しならが摺動する部分を含む。本発明に従い、少なくとも１つの磁石を使用して、このような摩擦軸受によって担持される荷重を低減することには、多くの利点があることが分かっている。第１に、本発明は、２つの構造物が相対運動することに関して非常に正確に制御を行うことが必要であるような計測学的用途において摩擦軸受を使用することを試みる場合にみられる問題を克服することが分かっている。詳細には、本発明者らは、そのような計測装置において摩擦軸受を介して比較的高い荷重を伝達することにより望ましくない計測学的エラーが発生する可能性があることを発見した。例えば、高荷重が摩擦軸受を通過するとき、軸受部品の間で滑らかな摺動運動が起こる前に克服する必要がある初期摩擦量または開始時の摩擦量（静止摩擦）が存在する。この作用により、摩擦軸受によって接続される構造物の相対運動を正確に制御する能力が低下することが分かっており、それにより、軸受によって連結される２つの構造物の相対位置に動的不確実性および静的不確実性が組み込まれることが分かっている。本発明に従い、機械的荷重の一部の第１の摩擦軸受を低減することにより、上記のような運動制御の問題が低減され、それにより、計測装置を使用することにより得られる測定精度が向上することが分かっている。

また、本発明の計測装置内で起こる摩擦が低減されることにより、第１の摩擦軸受の接触部分の経時的な機械的摩耗量が低減される。したがって、本発明の軸受組立体の計測学的寿命は、上記のような磁石（複数可）が含まれない軸受組立体を基準として、延長され、および／または、一定の稼働寿命を有する軸受を提供するために必要となる材料の硬度が低減され得る。加えて、克服すべき摩擦が低減されることにより、第１の構造物および第２の構造物を互いに対して回転させる場合になされるべき仕事が低減される。装置がこのような回転を駆動させるために電気モータを含む場合、モータのサイズも縮小され、電力消費も低減される。また、このようなモータの電力消費が低減されることにより、モータが発生させる熱の量も低減され、それにより、熱により誘発されるあらゆる計測学的エフェクトが低減される（例えば、熱膨張による）。

第１の摩擦軸受上の荷重を低減するのに、磁気引力または磁気反発が使用され得る。有利には、少なくとも１つの磁石は、第１の摩擦軸受上の荷重を低減する反発構成となるように構成される複数の磁石を備える。例えば、上記の少なくとも１つの磁石は、１つまたは複数の第１の磁石と、１つまたは複数の第２の磁石とを備えることができる。１つまたは複数の第１の磁石は第１の構造物に付着され得るか、または、第１の構造物の一部として提供され得る。１つまたは複数の第２の磁石は第２の構造物に付着され得るか、または、第２の構造物の一部として提供され得る。第１および第２の磁石は、互いに反発するように構成され得、それにより、第１の摩擦軸受上の荷重を低減させる。言い換えると、第１および第２の磁石の同じ極が、必要となる磁気反発力を発生させるために対向するように配置され得る。

磁気反発の代わりに、上記の少なくとも１つの磁石は、磁気引力により第１の摩擦軸受上の荷重を低減することができる。例えば、１つまたは複数の磁石が第１の構造物および第２の構造物のうちの少なくとも１つに付着され得るか、または、第１の構造物および第２の構造物のうちの少なくとも１つの一部として形成され得る。１つまたは複数の磁石は磁気物質（例えば、鉄鋼）に取り付けられ得るか、または、別の磁石の反対の極に取り付けられ得る。したがって、１つまたは複数の磁石は、第１の構造物と第２の構造物との間に、第１の摩擦軸受上の荷重を低減させるような磁気引力を加えるように構成され得る。

計測装置の少なくとも１つの磁石は少なくとも１つの電磁石を含むことができる。有利には、少なくとも１つの磁石は少なくとも１つの永久磁石を含む。永久磁石は、電力供給を必要としないという理由で好適である。好適には、磁石は希土類磁石を含む。

有利には、別の部分に摺動接触する、第１の摩擦軸受の複数の部分のうちの１つがボールを備える。好都合には、第１の摩擦軸受の別の部分が１つまたは複数の軸受面を備える。有利には、第１の摩擦軸受の複数の部分が、１つまたは複数の軸受面に摺動接触するボールを備える。第１の構造物または第２の構造物がボールを備えることができ、第１の構造物または第２の構造物のもう一方が１つまたは複数の軸受面を備えることができる。これらの１つまたは複数の軸受面は、例えば、ボールの表面上に乗る複数の軸受面を備えることができ、それにより、ボールの中心が軸受面に対して実質的に不変な位置に留まるようになる。このようにして、軸受面およびボールは正確な枢動点を画定する。したがって、第１の構造物は、ボールの中心の周りに第２の構造物に対して回転することができる。

第１の構造物と第２の構造物を連結させる軸受構成は枢動ジョイントの形態をとることができ、これは、第１の摩擦軸受によって画定される枢動点の周りに第１および第２の構造物が自由に相対的に回転または枢動するのを可能にする。有利には、軸受構成は、第１の構造物が第１の軸の周りに第２の構造物に対して回転するのを可能にする。言い換えると、（使用時の）第２の構造物に対する第１の構造物の運動が、軸受組立体により、第１の軸の周りの回転のみに制限され得る。

有利には、この軸受構成は１つまたは複数の別の軸受を備えることができる。１つまたは複数の別の軸受は、第１の摩擦軸受と共に、第１の構造物が第２の構造物に対して回転し得る第１の軸を画定することができる。好適には、第１の摩擦軸受および１つまたは複数の別の軸受は第１の軸上に位置する。１つまたは複数の別の軸受は、任意のタイプの１つまたは複数の軸受を備えることができる。好適には、１つまたは複数の別の軸受は第２の摩擦軸受を備える。有利には、軸受組立体のすべての軸受が摩擦軸受である。摩擦軸受を使用して第１の構造物と第２の構造物との間の運動を拘束することにより、回転軸を正確に画定することが可能となる。この軸受組立体は、例えば、運動学的に、第１の構造物と第２の構造物との間の５自由度の運動を拘束することができ、第１の構造物は第１の軸の周りに第２の構造物に対して回転することのみ可能となる。

当業者には種々の摩擦軸受デザインが知られている。例えば、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる（例えば、特許文献２参照）に記載される種々の摩擦軸受を参照する。有利には、第１および第２の摩擦軸受は、各々が、１つまたは複数の相補的な軸受面に接触するボールを備える。第１および第２の摩擦軸受のボールは等しい直径を有し得るか、または、（例えば、異なる荷重を担持するために異なる摩擦軸受が配置される場合は）異なる直径を有してもよい。

有利には、第１の構造物は、第２のセットの軸受面から離間される第１のセットの軸受面を備える。好都合には、第２の構造物は、第１のボールおよび第２のボールを有するシャフトを備え、第１および第２のボールはシャフトの長手方向軸に沿って離間される。このような配置構成では、第１の摩擦軸受が第１のボールおよび第１のセットの軸受面によって提供され得、第２の摩擦軸受が第２のボールおよび第２のセットの軸受面によって提供され得る。また、各ボールとそれぞれの軸受面との間で維持される接触を確保するために、付勢力または予荷重が提供されてもよい。第２の構造物は、第１の軸の方向に沿って第２の構造物のシャフトから（例えば、軸受組立体を超えて）延在するスピンドルを備えることができる。スピンドルは、別の回転ジョイントおよび／または測定プローブなどの、別の装置を担持することができる。

上述した配置構成の第１のセットの軸受面は第１の接触平面に提供されてよく、第２のセットの軸受面は第２の接触平面に提供されてよい。第１の接触平面および第２の接触平面は実質的に平行であってよい。第１および／または第２の接触平面はシャフトの長手方向軸に対して実質的に垂直であってよい。第１および第２の摩擦軸受のうちの少なくとも１つは、シャフトの長手方向軸に平行な方向においてその接触平面から外れるように弾性変位可能であってよく、例えば、軸受は（例えば、特許文献２参照）に記載されるタイプの構造物を有することができる。このようにして、第１および第２の摩擦軸受が、実質的にシャフトの長手方向軸の周りに第１および第２の構造物が相対的に回転することを画定する。したがって、軸受組立体が、上で言及した第１の回転軸を画定する。

有利には、計測装置が使用されるときに、第１の軸は実質的に垂直方向に位置合わせされる。言い換えると、第１の軸は、好適には、重力の作用方向である垂直方向に実質的に平行である。このような例では、第１の構造物が物体（例えば、ＣＭＭのクイル）に固定される場合、第１の摩擦軸受は、好適には、第２の構造物の重量と第２の構造物によって担持される任意の物体の重量とによる荷重（少なくとも１つの磁石の作用によって低減される）を担持する。したがって、このような例では、少なくとも１つの磁石は、重力に逆らって第２の構造物を保持することにより生じる第１の摩擦軸受上の荷重を低減するとみなされ得る。少なくとも１つの磁石は、第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するが、第１の摩擦軸受によって担持される荷重を完全には回避しないことに留意されたい。好適には、第１の摩擦軸受を介して伝達される荷重は、摺動接触している第１の摩擦軸受の複数の部分が第１の構造物と第２の構造物との間の必要となる相対運動を確実に画定するのに十分なままである。

また、本発明の用途が任意特定の摩擦軸受構成のみに限定されないことに留意されたい。摩擦軸受上の荷重を低減するという概念は任意の摩擦軸受構成に適用され得る。

有利には、装置は少なくとも１つの機械的止めを含む。第１の摩擦軸受の摺動接触する部分は、好都合には、機械的衝撃を受ける場合に外れるように構成される。好適には、第１の摩擦軸受の摺動接触する部分が外れているときに許容される変位量は、少なくとも１つの機械的止めによって制限される。第１の構造物および／または第２の構造物は少なくとも１つの機械的止めを含むことができる。

好適には、少なくとも１つの機械的止めは、第１の摩擦軸受の通常使用時に摺動接触する部分が、機械的衝撃を受けて外れる場合に装置の任意の他の表面に衝撃を及ぼすのを防止するように、構成される。言い換えると、１つまたは複数の機械的止めは、好適には、回転運動を画定する第１の摩擦軸受の複数の部分が機械的衝撃または何らかの予期しない衝撃により破損するのを防止する。これにより、機械的衝撃を受けた後に摩擦軸受の部品を取り替える必要なくさらには計測装置を再較正する必要さえもなく、装置が継続して動作することが可能となる。装置が耐え得る機械的衝撃の大きさは、当然、装置の正確な構成によって決定されるが、摩擦軸受の摺動接触する表面を介して衝撃力を担持しなければならないような装置と比較して、上記のように第１の摩擦軸受の複数の部分が外れることができることにより、計測装置の弾性が大幅に向上することが分かっている。

有利には、第１の摩擦軸受の複数の部分は、機械的衝撃により外された後に再係合されるように（すなわち、再び摺動接触するように）構成される。有利には、第１の摩擦軸受によって担持される定格荷重（すなわち、少なくとも１つの磁石の効果によって低減される荷重）は、第１の摩擦軸受の複数の部分を摺動接触状態に戻すように付勢するように作用する。機械的止めが提供される場合、機械的止めは、さらに、外れているときに起こる第１の摩擦軸受の複数の部分の間での相対的変位を、付勢力によりこれらの部分を再係合させるのに十分なくらいに小さくさせるようにも作用することができる。この形式の再係合を補助するために、好適には、第１の摩擦軸受上の荷重を低減するための磁気反発構成が実装される。磁気反発を使用することが好適である理由は、磁気反発を使用することにより、少なくとも１つの磁石が別の磁石または磁気面に「付着」せず、したがって再係合を妨げないからである。

この計測装置は手動で作動されてよく、または、動力化されてもよい。この装置は、有利には、第２の構造物に対して第１の構造物を運動（例えば、回転）させるための少なくとも１つのモータを含む。計測装置はまた、第２の構造物に対する第１の構造物の回転を測定するためのデバイスを含むことができる。例えば、この装置は、好適には、第２の構造物に対する第１の構造物の回転を測定するための少なくとも１つの回転エンコーダを含む。また、第２の構造物に対する第１の構造物の運動を制御するために、位置制御装置が提供されてもよい。その場合、位置制御装置は、少なくとも１つのエンコーダからのフィードバックを使用して少なくとも１つのモータを制御することができる。このような位置制御装置は、第１および第２の構造物の所望の相対運動を提供するように構成され得、ここでの制御は、少なくとも１つの磁石を含むことにより第１の摩擦軸受を通過する荷重が低減されることにより、改善される。

上述の計測装置は多くの異なる計測学的用途に使用され得る。例えば、非デカルト座標系位置決め装置（例えば、六脚）のための枢動ジョイントが本発明の計測装置を備えることができる。また、ロボットアームまたは関節式プローブヘッドなどの関節式計測装置が本発明の計測装置を備えることができる。好適には、本発明の計測装置は、装置の計測学的ループまたは測定ループの一部を形成し、その計測学的ループまたは測定ループの中で使用される。例えば、物体上の位置を測定するために使用される装置の部分が本計測装置を備えることができる。

有利には、本発明の計測装置は関節式プローブヘッドの一部として提供される。このような関節式プローブヘッドは、好適には、座標位置決め装置のクイルに取り付けるための基部を備える。関節式プローブヘッドはまた、好都合には、測定プローブのための支持体を備えることができる。その場合、関節式プローブヘッドは、支持体が１つまたは複数の回転軸の周りに基部に対して回転するのを可能にするための１つまたは複数の関節式ジョイントを備えることができる。好適には、関節式プローブヘッドは、支持体が相互に直交する２つの回転軸の周りに基部に対して回転するのを可能にするための、２つの関節式ジョイントを備える。有利には、関節式ジョイントのうちの少なくとも１つが上述した計測装置を含む。

有利には、関節式プローブヘッドは、基部と支持体とを接続させる第１および第２の関節式リストまたは関節式ジョイントを少なくとも備え、それにより、支持体が少なくとも第１および第２の回転軸の周りに基部に対して回転するのを可能にする。好適には、第１の関節式ジョイントは本発明の上述した計測装置を備える。例えば、計測装置の第１の構造物は基部の一部を形成し得るか、または、基部に取り付けられ得る。この場合、第２の構造物は支持体を備えることができるか、または、任意選択で別の関節式ジョイントを介して、支持体に接続され得る。この場合、計測装置の軸受組立体が基部と支持体との間に第１の回転軸を画定することができる。有利には、運動の第１の回転軸は実質的に垂直であり、その結果、軸受組立体の第１の摩擦軸受によって担持される荷重（少なくとも１つの磁石によって低減される荷重）は、第２の構造物、付随する支持体、および支持体に取り付けられる任意の測定プローブの重量により発生する。

上述した関節式プローブヘッドは手動で作動されてよく、および／または、動力化されてもよい。プローブヘッドは、測定プローブが、プラットフォームを基準として公称的に再現可能に割り出しされる複数の方向を採用するのを可能にするための、インデクシングプローブ（ｉｎｄｅｘｉｎｇｐｒｏｂｅ）ヘッドを備えることができる。言い換えると、プローブヘッドは、測定プローブを複数の公称的な位置に割り出しして保持するのを可能にする。従来、測定プローブはいわゆる連続プローブヘッド（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｒｏｂｅｈｅａｄ）または能動プローブヘッドによりプラットフォームに取り付けられる。従来、連続プローブヘッドにより、測定プローブが事前定義された角度範囲内で任意の向きに自由に回転または配置されることが可能となる。好適には、連続プローブヘッドは、測定プローブの向きを測定するための少なくとも１つのエンコーダを備える。測定プローブの向きは測定時に保持または固定され得るか、または、測定プローブは測定プロセス中に再方向付けされ得る（例えば、走査または移動され得る）。

関節式プローブヘッドは任意のタイプの測定プローブを担持することができる。測定プローブは接触プローブであってよい（例えば、ワークピース接触スタイラスを有する）。別法として、測定プローブは非接触プローブ（例えば、光学プローブ、容量プローブ、電磁誘導プローブなど）であってもよい。測定プローブおよび関節式プローブヘッドは、解除可能に互いに取り付けられ得る分離したユニットを備えることができる。別法として、測定プローブは関節式プローブヘッド内の支持体に一体化されてもよい。

本発明の第２の態様によると、第１の摩擦軸受を少なくとも備える計測装置が提供され、ここでは、この装置は、第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するための少なくとも１つの磁石を備える。当業者であれば、摩擦軸受という用語が、部品間で摺動接触する軸受に関連することを認識するであろう。摩擦軸受という用語は、そのような摺動接触していない、空気軸受またはローラ軸受などを含まない。この装置はまた、上述した好適な特徴のいずれも含むことができる。

本発明の第３の態様によると、第１の摩擦軸受を少なくとも備える計測装置が提供され、ここでは、装置は、第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するための非接触型の力発生手段を備える。この非接触型の力発生手段は、例えば、１つまたは複数の磁石、静電気構成などを備えることができる。この装置はまた、上述した好適な特徴のいずれも含むことができる。

本発明の第４の態様によると、軸受構成により第２の構造物に回転可能に接続される第１の構造物を備える計測装置が提供され、軸受構成が、第１の構造物が第２の構造物に対して回転するときに摺動接触する複数の部分を含む第１の摩擦軸受を少なくとも含み、この装置は、少なくとも１つの機械的止めを備えることを特徴とし、ここでは、第１の摩擦軸受の摺動接触する部分は機械的衝撃を受けるときに外されるように構成され、ここでは、そのように外れているときに許容される変位量が少なくとも１つの機械的止めによって制限される。有利には、装置は、第１の摩擦軸受上の荷重を低減する少なくとも１つの磁石を備える。この装置はまた、上述した好適な特徴のいずれも含むことができる。

次に、単に例として添付図面を参照しながら本発明を説明する。
関節式プローブヘッドを備える座標位置決め機械を示す図である。関節式ジョイントのための従来技術の摩擦軸受を示す図である。磁気反発により荷重が低減される場合の、本発明による、関節式ジョイントのための摩擦軸受を示す図である。磁気引力により荷重が低減される場合の、本発明による、関節式ジョイントのための摩擦軸受を示す図である。磁気反発により荷重が低減される場合の、本発明による、関節式ジョイントのための別の摩擦軸受を示す図である。

図１を参照すると、座標測定機械（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ（ＣＭＭ））２の形態の座標位置決め装置が示されている。ＣＭＭ２は、上に物体（例えば、ワークピース）を置くことができる基部またはテーブル４および、基部４に対してｘ方向およびｙ方向に移動することができるガントリ６を備える。ガントリ６は、ガントリ６に対してｚ方向に沿って移動することができるクイル８を含む。位置エンコーダが、クイルのｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を測定するためにＣＭＭ２の各軸上に提供される。したがって、クイルの位置の測定はいわゆる機械座標系（ｘ、ｙ、ｚ）で行われる。

クイル８は動力化された関節式プローブヘッド１０を担持する。関節式プローブヘッド１０は、クイル８に取り付けられるベース部分および、撓み可能スタイラス１４を有する測定プローブ１２を担持するプローブ支持体を備える。測定プローブ１２はタッチトリガプローブ（スイッチングプローブとも呼ばれる）であってよく、このタッチトリガプローブでは、スタイラスが撓むときは必ずトリガ信号（スイッチング信号）が発せられる。別法として、測定プローブ１２は、いわゆるニュートラル位置または静止位置からのスタイラス１４の撓み量（例えば、局所的な座標系またはプローブ座標系内での撓み量）の測定値を出力するスキャニングプローブであってもよい。関節式プローブヘッド１０により、測定プローブ１２が直交軸ＡおよびＢの周りにクイルに対して回転することが可能となる。また、ＣＭＭおよび関節式プローブヘッド１０の動作を制御するために、制御装置１６も提供されてよい。

図２を参照すると、関節式プローブヘッドの関節式ジョイントが概略的に示されている。関節式ジョイントは、第１の構造物２０（例えば、基部）を第２の構造物２２に連結させる軸受組立体を備える。

第１の構造部２０は、下側プレート２４および上側プレート２６を含むハウジングを備える。下側プレート２４は第１のセットの軸受面２８を備え、上側プレート２６は第２のセットの軸受面３０を備える。第２の構造物２２は、下側端部にある第１のボール３４および上側端部にある第２のボール３６を有するシャフト３２を備える。シャフト３２の長手方向軸に一致する長手方向軸を有するスピンドル３８が第１のボール３４を通過し、測定プローブ（図示せず）のための支持体４２を保持する。

第１の構造物２０が、第１の摩擦軸受および第２の摩擦軸受を備える軸受組立体により第２の構造物２２に連結される。第１の摩擦軸受は、第１のセットの軸受面２８に摺動接触する第１のボール３４を備える。第２の摩擦軸受は、第２のセットの軸受面３０に摺動接触する第２のボール３６を備える。上側プレート２６は、第２の摩擦軸受を介してシャフト３２に下方向の力すなわち予備荷重の力を作用させるためにばね付勢され、それにより、第１の摩擦軸受および第２の摩擦軸受の両方で確実に摺動接触が起こるようになる。したがって、軸受組立体の摩擦軸受は、第２の構造物２２が第１の構造物２０に対して回転し得る第１の軸４０を正確に画定する。エンコーダディスクまたはスケール４４がシャフト３２に取り付けられ、エンコーダ読取ヘッド４６が第１の構造物２０に取り付けられる。このようなエンコーダ構成により、第１および第２の構造物の相対的な回転を測定することが可能となる。ジョイントは動力化され、第１および第２の構造物の相対的な回転を駆動させるための、それぞれシャフト３２上および第１の構造物２０上にある補助モータ要素４８および５０を含む。

第１の摩擦軸受によって担持される荷重が、第２の構造物２２の重量と、シャフト３２に加えられる予備荷重の力とから生じることが分かる。より大きい荷重を担持するのを可能にするために、第１のボール３４のサイズは第２のボール３６のサイズより大きくてよいが、本発明者らは、この荷重を担持するために第１の摩擦軸受を使用することを試みる場合に依然として問題が生じることを発見した。詳細には、初期摩擦すなわち開始時の摩擦により、静止開始位置（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｓｔａｒｔ）からの初期運動中に、または、低速の回転が要求される場合に、第１の摩擦軸受が動かなくなる可能性があることが分かった。この摩擦効果は予測不可能であり、第１および第２の構造物の回転運動を正確に制御するのを困難にする。詳細には、この摩擦効果により、制御装置によって実施される運動制御フィードバックループの複雑さが増す。すなわち、エンコーダからの回転情報を読み取り、次いで命令される回転運動を実現することを目的として適切なモータ制御信号を適用する制御ループが、この摩擦効果を考慮しなければならなくなる。また、これらの摩擦効果は、第１および第２の構造物の回転の向きが測定され得るときの、さらには、それらが低速で制御され得るときの全体の精度を低下させることも分かっており、それにより、このような関節式プローブヘッドを含む機械を使用して得られる測定精度のレベルも低下する。

図３を参照すると、本発明による関節式ジョイントが示されている。図２を参照して上述した種々の構成要素に加えて、ジョイントは、さらに、第１の構造物２０に取り付けられる第１のセットの磁石５２と、第２の構造物のシャフト３２に取り付けられる第２のセットの磁石５４とを含む。第１のセットの磁石および第２のセットの磁石はシャフト３２の長手方向において互いに離間され、互いに対向する等しい磁極（この場合は、Ｎ極）を有する。したがって、セットの磁石５２および５４の間に磁気反発力が得られ、この磁気反発力は、それ以外の場合では第１の摩擦軸受を介して伝達される機械的荷重を部分的に担持する。言い換えると、磁石５２および５４は、第１のボール３４と第１の摩擦軸受の第１のセットの軸受面２８との間を通る荷重を低減する。

セットの磁石５２および５４を使用して、第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減することにより、別のタイプの軸受に頼ることなく、上述した運動制御に関する問題が軽減される。さらに、第１の摩擦軸受は（この実施例では第２の摩擦軸受との組み合わせで）、軸受組立体によって提供される回転軸を正確に画定する働きもする。言い換えると、非接触的に磁力を用いて荷重を低減することにより、力が軸受組立体によって画定される回転精度を低下することはない。

関節式ジョイントはまた、軸受組立体の計測表面（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙｓｕｒｆａｃｅ）が機械的衝撃または外乱によって破損するのを防止するための１つまたは複数の止めを含むことができる。詳細には、シャフト３２の上側端部に隣接して上側止め５６が提供されてよく、シャフト３２の下側端部に隣接して下側止め５８が提供されてよい。上で言及したように、上側プレート２６がシャフト３２に係合されるようにばね付勢され、したがって、シャフトが第１の構造物に対して運動することができる。止め５６および５８は、第１の構造物２０に対するシャフト３２の運動を制限するように働き、それにより、衝撃力が除去されるとシャフトは常にその以前の位置に戻るようになる。また、止め５６および５８は、好適には、ボールまたは軸受面が破損するのを防止することを目的としてシャフトの運動を制限するように位置決めされる。

図４を参照すると、図３の構造の代替の構造が示されている。図３を参照して説明した、装置内で提供される磁気反発効果の代わりに、図４の構成は、第２の構造物のシャフト３２の上側端部に取り付けられる第１のセットの磁石６０および、第１の構造物２０の上側プレート２６に取り付けられる第２のセットの磁石６２を含む。セットの磁石６０および６２は互いに引き合うように構成され、これも、第１の摩擦軸受を介して伝達される荷重を低減する効果を有する。やはり、シャフト３２の運動を制限するために、さらには、摩擦軸受の計測表面を保護するために、止め６４および６６が提供されてよい。

図５を参照すると、図３の構造の別の代替の構造が示されている。この実施例では、第１のセットの磁石８２が、ロック可能なねじアタッチメント８６によりシャフト３２の上側端部に取り付けられる。第２のセットの磁石８４が第１の構造物２０に取り付けられる。図３の構成と共通して、第１のセットの磁石８２および第２のセットの磁石８４は互いに反発するように構成され、それにより、第１の摩擦軸受を介して伝達される荷重を低減する。ロック可能なねじアタッチメント８６は、シャフト３２の軸に沿わせて第１のセットの磁石８２の位置を調整することを可能にする。それにより、第１のセットの磁石８２と第２のセットの磁石８４との間の隙間８８を変化させることが可能となり、それにより、磁石を介して伝達される力を調整することが可能となる（またそれにより、第１の摩擦軸受を通る荷重の割合を調整することが可能となる）。

上述した実施形態が単に本発明の例示であることに留意されたい。関節式プローブヘッドのための回転ジョイントの形態の計測装置が示されるが、当業者であれば、装置が多くの別の計測学的用途で使用され得ることを認識するであろう。例えば、装置は、ロボット、関節式アームなどで使用され得る。上の実施例はまた、単一の回転軸の周りの２つの構造物の回転運動を画定する一対の摩擦軸受を備える軸受組立体も示す。本発明はまた、例えば非デカルト座標系構造物（例えば、六脚）などで使用され得る枢動ジョイントの形態の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するのにも適用され得る。当業者であれば本発明の多種多様な用途を直ちに認識するであろう。

Claims

軸受構成により第２の構造物に回転可能に接続される第１の構造物を備え、前記軸受構成は、前記第２の構造物に対して前記第１の構造物が回転するときに摺動接触する部分を備える第１の摩擦軸受を少なくとも含む、計測装置であって、前記装置は、前記第１の摩擦軸受上の荷重を低減する少なくとも１つの磁石を備えることを特徴とする計測装置。
前記少なくとも１つの磁石は、前記第１の摩擦軸受上の荷重を低減する反発構成となるように構成される複数の磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記少なくとも１つの磁石は磁気引力により前記第１の摩擦軸受上の荷重を低減することを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記少なくとも１つの磁石は少なくとも１つの永久磁石を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
前記第１の摩擦軸受は１つまたは複数の軸受面に摺動接触するボールを備え、前記第１の構造物は前記ボールの中心の周りに前記第２の構造物に対して回転可能であることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
前記軸受構成により、前記第１の構造物は第１の軸の周りに前記第２の構造物に対して回転することが可能となることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
前記軸受構成は１つまたは複数の別の軸受を備え、前記第１の摩擦軸受および前記１つまたは複数の別の軸受は前記第１の軸上に位置することを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記１つまたは複数の別の軸受は第２の摩擦軸受を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記第１の構造物は第２のセットの軸受面から離間される第１のセットの軸受面を備え、前記第２の構造物は、長手方向軸に沿って離間される第１のボールと第２のボールとを有するシャフトを備え、前記第１の摩擦軸受は前記第１のボールおよび前記第１のセットの軸受面によって提供され、前記第２の摩擦軸受は前記第２のボールおよび前記第２のセットの軸受面によって提供されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
使用時に、前記第１の軸は実質的に垂直方向に位置合わせされることを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の装置。
少なくとも１つの機械的止めを備え、摺動接触する前記第１の摩擦軸受の前記部分は、機械的衝撃を受ける場合に外れるように構成され、外れているときに許容される変位量が前記少なくとも１つの機械的止めによって制限されることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
前記第２の構造物に対して前記第１の構造物を運動させるための少なくとも１つのモータと、前記第２の構造物に対する前記第１の構造物の回転を測定するための少なくとも１つの回転エンコーダと、前記少なくとも１つのエンコーダからのフィードバックを使用して、前記少なくとも１つのモータを制御するための位置制御装置とを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
関節式プローブヘッドであって、座標位置決め装置のクイルに取り付けるための基部と、測定プローブのための支持体とを備え、少なくとも第１の関節ジョイントおよび第２の関節式ジョイントが前記基部および前記支持体を接続させ、それにより、前記支持体が少なくとも第１の回転軸および第２の回転軸の周りに前記基部に対して回転することが可能となり、前記第１の関節式ジョイントは前記請求項のいずれか１項による計測装置を備えることを特徴とする関節式プローブヘッド。
第１の摩擦軸受を少なくとも備える計測装置であって、前記装置は、前記第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するための少なくとも１つの磁石を含むことを特徴とする計測装置。
第１の摩擦軸受を少なくとも備える計測装置であって、前記装置は、前記第１の摩擦軸受によって担持される荷重を低減するための非接触型の力発生手段を備えることを特徴とする計測装置。
軸受構成により第２の構造物に回転可能に接続される第１の構造物を備え、前記軸受構成は、前記第２の構造物に対して前記第１の構造物が回転するときに摺動接触する部分を備える第１の摩擦軸受を少なくとも含む、計測装置であって、前記装置は少なくとも１つの機械的止めを備え、摺動接触する前記第１の摩擦軸受の前記部分は、機械的衝撃を受ける場合に外れるように構成され、外れているときに許容される変位量が前記少なくとも１つの機械的止めによって制限されることを特徴とする計測装置。