JP2016099342A

JP2016099342A - 測長装置

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Publication number: JP2016099342A
Application number: JP2015205199A
Authority: JP
Inventors: キリアン・バウアー; Kilian Bauer; ヴォルフガング・プーヒャー; Pucher Wolfgang; トーマス・ジグル; Sigl Thomas
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2016-05-30
Anticipated expiration: 2035-10-19
Also published as: EP3026389B1; US20160146641A1; EP3026389A1; JP6650725B2; CN105627875B; ES2621078T3; CN105627875A; US9772204B2

Abstract

【課題】正確な位置測定を可能にするためのスケール取付要素を提供する。
【解決手段】スケール１は長手方向Ｘに位置を測定するための測定目盛１１を有し、取付要素２の第１固定部２１と第２固定部２２によって、長手方向Ｘにおいて剛性にキャリアに固定可能である。第２固定部２２に対する第１固定部２１の長手方向Ｘに対して直角の方向の移動を許容する手段として、ブレース２３、２４が第１固定部２１と前記第２固定部２２との間に設けられている。ブレース２３、２４の撓みによって引き起こされた長さの変化が、これらのブレース２３、２４の膨張によって補償される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の測長装置に関する。

このような測長装置は、特に、加工すべき被加工品に対する工具の相対位置を測定するための工作機械と、被検査物の位置及び寸法を算出するための座標測定機と、半導体産業とで使用される。この場合、スケールが、キャリア、例えば駆動装置（例えば、リニアモータ）に直接に取り付けられるか、又は、スケールが、駆動装置によって駆動される構成部品に取り付けられる。当該測長装置の走査装置が、当該可動なスケールに対して固定されて第２物体に配置されている。当該キャリアに対するこの第２物体の相対位置が測定されなければならない。

上記キャリアに対する上記スケールの固定地点を形成するため、このスケールをこのキャリアの測定方向の或る地点で動かないように固定することが公知である。

多くの場合、上記のスケール及びキャリアは、異なる熱膨張率係数を有する材料から成る。拘束力が、当該キャリアから当該スケールに及ぼされないように、当該動かない固定を達成する必要がある。

欧州特許出願公開第０２６４８０１号明細書によれば、上記のスケールの動かない固定が、ボールによって実行される。当該ボールは、一方ではスケールのＶ字溝内と、他方では支持部材のＶ字溝内とに嵌入されていて、したがって締りばめを形成している。当該スケールが、ばねによって当該ボールの地点で押圧される。その結果、当該締りばめは、一方では当該ボールと当該スケールとの間に確保されていて、他方では当該ボールと当該支持部材との間に確保されている。

国際公開第０２／２７２６５号パンフレットによれば、測定方向の動かない固定が、取付要素によって実行される。この取付要素は、第１固定部を有する。この取付要素は、この第１固定部によってスケールに動かないように固定されている。また、この取付要素は、第２固定部を有する。この取付要素は、この第２固定部によってキャリアに固定されている。ころ軸受が、当該第１固定部と当該第２固定部との間に設けられている。当該ころ軸受は、当該キャリアに対する当該スケールの、当該測定方向に対して直角の方向の変位を許容する。

欧州特許出願公開第０２６４８０１号明細書国際公開第０２／２７２６５号パンフレット

本発明の課題は、コンパクトに構成されていて、正確な位置測定が可能である測長装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する測長装置によって解決される。

本発明にしたがって構成された測長装置は、長手方向に延在し、長手方向に位置を測定するための測定目盛を有するスケールを備える。当該スケールは、長手方向に動かないように、少なくとも１つの取付要素によってキャリアに固定可能である。当該取付要素は、第１固定部と第２固定部とを有する。この取付要素は、この第１固定部によって当該スケールに動かないように配置されている。この第２固定部は、当該キャリアに動かないように固定するように構成されている。この場合、当該第２固定部に対する当該第１固定部の、長手方向に対して直角の方向の移動を許容する手段が、当該第１固定部と当該第２固定部との間に設けられている。本発明によれば、この手段は、撓み可能な複数のブレースの装置である。当該装置は、当該第２固定部に対する当該第１固定部の、当該長手方向に対して直角の方向の移動を撓みによって許容する。この場合、この第１固定部とこの第２固定部との間の長手方向の移動が、当該撓みによって引き起こされたこれらのブレースの長さの変化から発生しないように、当該撓みによって引き起こされたこれらのブレースの長さの変化を補償するために、これらのブレースの当該装置は構成されている。

無負荷状態、すなわち撓んでいない状態では、上記複数のブレースは、好ましくは当該長手方向に対して平行に延在する。したがって、非常に安定で且つ硬い固定部分が、長手方向で保証されている。

それぞれのブレースが、長手方向に硬く且つ当該長手方向に対して直角の方向に撓み可能である固体枢着部として形成されている。

上記の複数のブレースの長さの変化の要求される補償は、当該複数のブレースの膨張によって実行される。このため、これらのブレースが、上記第１固定部を起点として剛性のブリッジに向かって逆方向に延在するように配置されている。当該剛性のブリッジは、これらのブレースを長手方向に剛性に互いに結合する。これにより、これらのブレースの撓みによって引き起こされた長さの変化が、これらのブレースの膨張によって補償される。したがって、これらのブレースは、長手方向ではテンションロッドとして機能し、当該長手方向に対して直角の方向ではカンチレバーとして機能する。

逆方向に延在する上記複数のブレースは、同じ弾性特性を有する。その結果、これらのブレースは、対称に変形する。

それぞれ１つのブレースが、上記第１固定部と上記第２固定部とを起点として連結部に向かって同じ方向に延在することによっても、上記の複数のブレースの長さの変化の要求される補償が実現され得る。この連結部が、当該両ブレースを互いに結合する。これらのブレースの撓みによって引き起こされた長さの変化が、この連結部の長手方向の変位によって補償される。

上記の複数のブレースの配置は、好ましくは同様に、当該固定地点に対して両側に対称に延在し得る。その結果、それぞれ２つのブレースが、共通の方向に延在し、これらのブレースがそれぞれ、それらの端部で連結部に互いに結合されている。この連結部は、当該両ブレースの偏向時に長手方向（測定方向）に変位し、当該互いに結合されている両ブレースの逆方向の撓みを補償する。

上記複数の取付要素のそれぞれ１つの取付要素が、上記スケールの互いに対向している位置に配置されていると、特に有益である。この場合、対向しているは、長手方向（測定方向）に延在する当該スケールの対称軸に対して対称であることを意味する。

本発明によれば、スケールの動かない固定が、簡単で且つ省スペースな手段によって提供される。拘束力が、温度変化時にもキャリアからスケールに及ぼされないことが、当該スケールの動かない固定によって保証されている。

本発明の測長装置の好適な構成は、従属請求項に記載されている対策から達成される。

以下に、本発明のその他の詳細及び利点を図面に関連する実施の形態に基づいて説明する。

本発明の測長装置の概略図である。図１による測長装置の断面図ＩＩ−ＩＩである。図１による測長装置の取付要素の斜視図である。本発明の測長装置の第２の実施の形態である。本発明の測長装置の第３の実施の形態である。第４の実施形態である。

以下に、本発明の第１の実施の形態を図１〜３に基づいて説明する。本発明にしたがって構成されたこの測長装置は、スケール１を有する。このスケール１は、長手方向Ｘに延在し、このスケール１は、測定目盛１１を有する。この測定目盛１１は、長手方向Ｘに高精度に位置測定するための光電走査可能なインクリメンタル目盛として構成されている。この代わりに、当該測定目盛は、アブソリュートコード、すなわち長手方向Ｘに測定するための測定目盛でもよく、さらには当該長手方向Ｘに対して直角に延在する第２測定目盛でもよい。２つの寸法方向Ｘ及びＹに測定するための当該測定目盛は、交差回折格子又はチェス盤状回折格子として構成されてもよい。

上記スケール１は、特に無視できる程のより小さい熱膨張率係数αを有する材料から構成されている、特に０°〜５０°の温度範囲において１．５×１０^−６Ｋ^−１未満、特に０．１×１０^−６Ｋ^−１未満の熱膨張率係数αを有する材料から構成されている。このような材料は、ガラス若しくはガラスセラミック（例えば、ＺＥＲＯＤＵＲ（登録商標））又は例えば不変鋼のような金属である。

特に、上記スケール１は、互いに対向して長手方向に延在する２つの側面１２及び１３を成す長方形の横断面を有する。測定目盛１１が、これらの側面１２及び１３に対して直角に延在する測定目盛面１４内に配置されている。

上記スケール１は、その全長にわたってキャリア５上に−例えば、工作機械又は測定機の台上に−搭載され、様々な方法で当該キャリア上に保持され得る。この保持は、挟持爪若しくは弾性接着剤を用いて実行され得るか、又は粘着性若しくは粘弾性の液膜による接着保持部材を用いて実行され得るか又は空気軸受若しくは玉軸受による接着保持部材を用いて実行されてもよい。図示された例では、当該スケール１の保持は、層４を用いて実行される。この層４は、このスケール１を当該キャリア５に接着するように構成されている。この層４をこのスケール１とこのキャリア５との間に設けることによって、このスケール１が、このキャリア５から機械的な結合を解かれていることが保証されている。キャリア５とスケール１とが、温度変化時に互いに独立して膨張し得る。

基準点とも記される固定地点を形成するためには、スケール１が、位置Ｐ１で長手方向Ｘに動かないようにキャリア５に固定される必要がある。このため、少なくとも１つの取付要素２が設けられている。このスケール１が、長手方向Ｘに動かないように当該取付要素２によってこのキャリア５に固定可能である。当該取付要素２は、第１固定部２１を有する。当該取付要素２は、この第１固定部２１によってこのスケール１に動かないように配置されている。そして、当該取付要素２は、第２固定部２２を有する。この第２固定部２２は、当該キャリア５に動かないように固定されるように構成されている。

上記キャリア５に対する長手方向Ｘに対して直角の方向−すなわち、方向Ｙ−の、熱に起因した上記スケールの膨張を許容する手段が、上記第１固定部２１と上記第２固定部２２との間に設けられている。このため、この第１固定部２１が、当該長手方向Ｘに対して平行に整列された２つのブレース２３及び２４によってこの第２固定部２２に結合されている。これらのブレース２３及び２４は、撓み及び膨張によって当該長手方向Ｘに対して直角の方向のこの第２固定部２２に対するこの第１固定部２１の移動を許容する。この場合、当該両ブレース２３及び２４はそれぞれ、この第１固定部２１を起点として逆方向に延在する。これらのブレース２３及び２４の当該装置は、撓みによって当該長手方向Ｘに対して直角の方向の、この第２固定部２２に対するこの第１固定部２１の移動を許容する。この場合、この第１固定部２１とこの第２固定部２２との間の長手方向Ｘの移動が発生しないように、当該撓みによって引き起こされたこれらのブレース２３及び２４の長さの変化を補償するために、当該装置はさらに構成されている。

上記複数のブレース２３，２４は、位置Ｐ１に対してミラー対称に配置されていて、同じ弾性特性を有する。上記第１固定部２１は、−長手方向Ｘに対して−当該両ブレース２３，２４間の中心に配置されている。当該両ブレース２３，２４を撓み枢着部として且つ同時に膨張要素として設けることによって、スケール１とキャリア５との間の横移動が可能になるが、このキャリア５に対する長手方向Ｘのこのスケール１の固定された位置Ｐ１が維持されることが保証されている。

第２固定部２２が、両ブレース２３及び２４を端部側で互いに結合する剛性のブリッジ２５を有する場合、取付要素２の非常に安定した構造が得られる。

本発明によれば、少なくとも１つの取付要素２が、固定位置Ｐ１に設けられている。同様に形成された２つの取付要素２が、スケール１の対称軸Ｓに対して対称に、対向している地点Ｐ１及びＰ２に配置されていると、特に有益である。その結果、熱膨張が、当該対称線Ｓに対して対称に方向Ｙに可能である結果、このスケール１が、当該対称線Ｓに対して熱的に安定して固定されているという利点が得られる。当該両取付要素２が、同様に構成されているので、これらの取付要素２は、同じ符号を有し、図１では当該両取付要素２のうちの１つの取付要素２だけが、全ての符号を有する。

上記取付要素２の第１固定部２１は、当該両側面１２，１３のそれぞれの側面に配置されている。この第１固定部２１が、材料一体的な結合によってこの側面１２又は１３に固定されている場合、特に有益な取り付けが得られる。当該材料一体的な結合は、特に硬化性の固定接着剤３によって実行される。計量ポケット２７が、この接着剤３を収容するためにこの取付要素２に設けられている。スケール１の当該側面１２又は１３に接触される複数のスペーサ２８が、所定の接着ギャップを形成するために当該スケール１と当該取付要素２との間に付設されている。測定方向Ｘに互いに離間したこれらのスペーサ２８は、所定の接着ギャップを当該取付要素２と当該スケール１の側面１２又は１３との間に確保する。測定方向Ｘから見ると、接着剤が、当該両スペーサ２８のそれぞれのスペーサ２８の両側に滲入されている。

上記ブレース２３，２４が、当該スケールの中立線Ｎを有する平面内に配置されていて、当該測定目盛１１が、当該スケール１のこの中立線Ｎに対して平行な平面内で整列されていると、特に有益である。

上記取付要素２の第２固定部２２は、キャリア５に固定ねじ止めするための図示されなかった固定ねじを収容するための少なくとも１つの凹部２６を有する。この取付要素２のブリッジ２５が、当該ねじ止め時にブレース２３及び２４の変形を大幅に阻止する。

上記ブレース２３及び２４は、固体枢着部として形成されている。当該取付要素２が、１つの部材から形成されていて、このときに、当該ブレース２３，２４がそれぞれ、弱い箇所として第１固定部２１と第２固定部２２との間に形成されていると、特に有益である。

以下に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。それぞれ１つのブレース２３．１，２４．１が、第１固定部２１．１と第２固定部２２．１とを起点として連結部２９に向かって同じ方向に延在するように配置されている。当該連結部２９は、可変性であり、当該両ブレース２３．１及び２４．１を互いに結合する。これらのブレース２３．１，２４．１のこの配置のために、これらのブレース２３．１及び２４．１の撓みによって引き起こされた長さの変化が、当該連結部２９の長手方向Ｘの変位によって補償される。

長手方向Ｘに力を拘束されない配置を提供するため、ここでも、長手方向Ｘに対称な配置が特に有益である。このような配置が、図５に例示的に示されている。この場合、別の２つのブレース２３．２，２４．２が設けられている。これらの別のブレース２３．２及び２４．２のそれぞれ１つのブレースが、第１固定部２１．１と第２固定部２２．２とを起点として別の連結部２９．１に向かって共通の方向に延在するように配置されている。この別の連結部２９．１も、可変性であり、当該両別のブレース２３．２，２４．２を互いに結合する。

図４及び５による取付要素２．１及び２．２の構造の場合にも、同様に形成された２つの取付要素２．１又は２．２が、スケール１の対称軸Ｓに対して対称に互いに対向して配置されていると、特に有益である。

図６は、本発明のもう１つの実施の形態である。図１〜３に基づいて既に説明したように、取付要素２が、位置Ｐ１（固定地点）でスケール１．１の側面１２に設置されている。固定要素６が、位置Ｐ２でこのスケール１．１の対向している側面１３上に設置されている。この固定要素６は、このスケール１．１を、Ｘ方向及びＹ方向に動かないように地点Ｐ２でキャリアに固定するように構成されている。この固定要素６は、特に硬化性の固定接着剤によってこのスケール１．１の当該側面１３に材料一体的に固定されている。この固定要素６は、当該キャリア６に動かないように固定するために、ねじを収容するための凹部を有する。この固定要素６が、このねじによって当該キャリアに動かないようにねじ止め可能である。

側面でのスケール１．１のこのような動かない固定は、特に、測定目盛１１のほかに、Ｙ方向の位置を測定するために構成されている追加の測定目盛１５を有するスケール１．１に対して適している。図６に示されているように、この追加の測定目盛１５は、当該測定目盛１１とＹ方向に空間的に並んで配置されている。この場合、上記固定要素６は、スケール１．１側に配置されている。当該追加の測定目盛１５は、このスケール１．１側に設けられている。Ｙ方向に補償する上記取付要素２は、当該スケール目盛１１が設けられているこのスケール１．１側に配置されている。

全ての実施の形態において、上記ブレース２３，２４，２３．１，２４．１，２３．２，２４．２は、対応する第１及び第２固定部２１，２１．１，２１．２，２２，２２．１，２２．２に一体成形され得る。この代わり、当該ブレースは、当該固定部に固定されたばね板でもよい。

上記取付要素２，２．１，２．２は、好ましくは、スケール１，１．１から成る材料と同じ熱膨張率係数を有する材料から製作されている。さらに、上記接着剤３も、この熱膨張率係数を有し得る。

本発明は、光電式の走査原理に限定されない。当該測定目盛が、特に磁気式に又は電磁誘導式に走査可能に構成されてもよい。

１スケール
１．１スケール
２取付要素
２．１取付要素
２．２取付要素
３接着剤
４層
５キャリア
６固定要素
１１測定目盛
１２側面
１３側面
１４測定目盛面
１５追加測定目盛
２１第１固定部
２１．１第１固定部
２２第２固定部
２２．１第２固定部
２３．１ブレース
２４．１ブレース
２３ブレース
２３．１ブレース
２３．２別のブレース
２４ブレース
２４．１ブレース
２４．２別のブレース
２５ブリッジ
２６凹部
２７計量ポケット
２８スペーサ
２９連結部
２９．１別の連結部
Ｐ１地点、位置、固定位置、固定地点
Ｐ２地点、位置
Ｓ対称軸、対称線
Ｎ中立線
α 熱膨張率係数

Claims

１つのスケール（１，１．１）と少なくとも１つの取付要素（２，２．１，２．２）とを有する測長装置であって、
前記スケール（１，１．１）が、長手方向（Ｘ）に延在し、前記スケール（１，１．１）が、長手方向（Ｘ）に位置を測定するための１つの測定目盛（１１）を有し、
前記スケール（１）が、前記取付要素（２，２．１，２．２）によって長手方向（Ｘ）において剛性に１つのキャリア（５）に固定可能であり、
前記取付要素（２）が、１つの第１固定部（２１，２１．１，２１．２）を有し、且つ１つの第２固定部（２２，２２．１，２２．２）を有し、この取付要素（２）が、この第１固定部（２１，２１．１，２１．２）によって前記スケール（１，１．１）に動かないように配置されていて、この第２固定部（２２，２２．１，２２．２）が、前記キャリア（５）に動かないように固定されるように構成されていて、
前記第２固定部（２２，２２．１，２２．２）に対する前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）の、前記長手方向（Ｘ）に対して直角の方向の移動を許容する手段が、前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）と前記第２固定部（２２，２２．１，２２．２）との間に設けられている当該測長装置において、
前記手段は、撓み可能な複数のブレース（２３，２４，２３．１，２３．２，２４．１，２４．２）の装置であり、当該装置は、前記第２固定部（２２，２２．１，２２．２）に対する前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）の、前記長手方向（Ｘ）に対して直角の方向の移動を撓みによって許容し、
前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）と前記第２固定部（２２，２２．１，２２．２）との間の長手方向（Ｘ）の移動が、当該撓みによって引き起こされた前記複数のブレース（２３，２４，２３．１，２３．２，２４．１，２４．２）の長さの変化から発生しないように、当該撓みによって引き起こされたこれらのブレース（２３，２４，２３．１，２３．２，２４．１，２４．２）の長さの変化を補償するために、これらのブレース（２３，２４，２３．１，２３．２，２４．１，２４．２）の当該装置は構成されていることを特徴とする測長装置。
前記複数のブレース（２３，２４，２３．１，２３．２，２４．１，２４．２）は、前記長手方向（Ｘ）に対して平行に整列されている請求項１に記載の測長装置。
複数のブレース（２３，２４）が、前記第１固定部（２１）を起点として逆方向に延在し、これらのブレース（２３，２４）の撓みによって引き起こされた長さの変化が、これらのブレース（２３，２４）の膨張によって補償される請求項１に記載の測長装置。
複数のブレース（２３，２４）が、前記第１固定部（２１）を起点として剛性のブリッジ（２５）に向かって逆方向に延在し、前記剛性のブリッジ（２５）が、当該両ブレース（２３，２４）を長手方向（Ｘ）に剛性に互いに結合する請求項３に記載の測長装置。
それぞれ１つのブレース（２３．１，２４．１；２３．２，２４．２）が、前記第１固定部（２１．１，２１．２）と前記第２固定部（２２．１，２２．２）とを起点として１つの連結部（２９，２９．１）に向かって同じ方向に延在し、この連結部（２９，２９．１）が、当該両ブレース（２３．１，２４．１；２３．２，２４．２）を互いに結合し、これらのブレース（２３．１，２４．１；２３．２，２４．２）の撓みによって引き起こされた長さの変化が、前記連結部（２９，２９．１）の長手方向（Ｘ）の変位によって補償される請求項１に記載の測長装置。
前記ブレース（２３．１，２４．１；２３．２，２４．２）は、前記スケール（１，１．１）の中立線Ｎを有する平面（Ｎ）内に配置されていて、測定目盛面（１４）が、この平面（Ｎ）に対して平行に整列されている請求項１に記載の測長装置。
前記スケール（１，１．１）は、互いに対向して長手方向（Ｘ）に延在する２つの側面（１２，１３）を成す長方形の横断面を有し、前記測定目盛（１１）が、これらの側面（１２，１３）に対して直角に延在する測定目盛面（１４）内に配置されている請求項１に記載の測長装置。
前記取付要素（２，２．１，２．２）の前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）は、材料一体的な結合によって当該両側面（１２，１３）のうちの１つの側面に固定されている請求項７に記載の測長装置。
前記材料一体的な結合は、接着結合である請求項８に記載の測長装置。
測定方向（Ｘ）に互いに離間した複数のスペーサ（２８）が、前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）に配置されていて、これらのスペーサ（２８）が、前記スケール（１，１．１）の前記側面（１２，１３）に接触していて、接着ギャップを前記第１固定部（２１，２１．１，２１．２）と前記スケール（１，１．１）の前記側面（１２、３）との間に確保していること、及び
接着剤（３）が、測定方向（Ｘ）から見て前記複数のスペーサ（２８）のそれぞれの両側からこの接着ギャップ内に滲入されている請求項９に記載の測長装置。
前記スケール（１，１．１）は、０°〜５０°の温度範囲において１．５×１０^−６Ｋ^−１未満、特に０．１×１０^−６Ｋ^−１未満の熱膨張率係数αを有する材料から構成されている請求項１に記載の測長装置。
前記取付要素（２，２．１，２．２）は、１つの部材から形成されている請求項１に記載の測長装置。
前記第２固定部（２２，２２．１，２２．２）は、固定ねじを収容するための少なくとも１つの凹部（２６）を有する請求項１に記載の測長装置。
前記複数の取付要素（２，２．１，２．２）のそれぞれ１つの取付要素が、前記スケール（１）の互いに対向している位置（Ｐ１，Ｐ２）に配置されている請求項１に記載の測長装置。
１つの取付要素（２，２．１，２．２）が、前記スケール（１．１）の１つの位置（Ｐ１）に配置されていて、１つの固定要素（６）が、当該対向している位置（Ｐ２）でこのスケール（１．１）に配置されていて、この固定要素（６）は、このスケール（１．１）を、長手方向（Ｘ）に動かないように且つこの長手方向（Ｘ）に対して直角の方向（Ｙ）に同様に動かないように前記キャリア（５）に固定するように構成されている請求項１に記載の測長装置。