JP2017187491A - 長さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに組み立てられ、それを用いて正確な位置測定が可能となる長さ測定装置を提供する。【解決手段】スケール１と、スケールを走査するプローブキャリッジ２からなる。プローブキャリッジは、連結部によって、測定方向Ｘは硬直的に連行体３上に固定され、連結部は測定方向Ｘに延在する結合部材５を有し、結合部材はプローブキャリッジ側において第一の回転継手５１に回転自在に支持されており且つ連行体側において第二の回転継手５２に回転自在に支持されている。第一の弾性手段６が結合部材と連行体の間に備えられており、プローブキャリッジに押圧力を及ぼし、同じくガイド面１２に向かって押す。さらに、第二の弾性手段７が結合部材とプローブキャリッジの間に備えられており、プローブキャリッジに押圧力を及ぼし、同じくガイド面に向かって押す。第一の弾性手段は、第二の弾性手段から測定方向Ｘに隔てられて設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の特徴部分による長さ測定装置に関する。

この種の長さ測定装置は、長さや道のりを測定するのに用いられたり、特に、加工対象のワークに対する工具の相対運動を測定する加工機械（Ｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇｓｍａｓｃｈｉｎｅ）において、三次元測定装置（Ｋｏｏｒｄｉｎａｔｅｎｍｅｓｓｍａｓｃｈｉｎｅ）において、そしてさらには、半導体産業にも使用されたりする。

特許文献１は、請求項１の前提部分おいて書きに記載の長さ測定装置を開示する。プローブキャリッジを連行体（Ｍｉｔｎｅｈｍｅｒ）に連結するのに、曲げ剛性のある結合部材が使用される。この曲げ剛性のある結合部材のプローブキャリッジへの連結は、一箇所において行なわれる。プローブキャリッジのバランスを保つために、この位置はプローブキャリッジの中心に設けられている。

独国特許出願公開第３３２７２６６号公報

本発明は、コンパクトに組み立てられ、それを用いて正確な位置測定が可能となる長さ測定装置を提供することを課題とする。

この課題は、本発明により、請求項１の特徴を有した長さ測定装置を用いることで解決される。

この長さ測定装置は、
測定方向において縦長に延在した支持体であって、当該支持体上に設けられたスケールを有する支持体と、
スケールの目盛りを走査するプローブキャリッジであって、少なくとも一つのガイド面上を測定方向において縦長に案内されているプローブキャリッジと、
連結部であって、当該連結部によって、プローブキャリッジが測定方向においては硬直的に且つそれとは交差する方向には柔軟に連行体（Ｍｉｔｎｅｈｍｅｒ）に連結されており、測定方向に延在する結合部材を有し、当該結合部材は、プローブキャリッジ側において第一の回転継手に回転自在に支持されており且つ連行体側において第一の回転継手に対して測定方向に隔てられた第二の回転継手に回転自在に支持されており、プローブキャリッジが少なくとも一つのガイド面に向けて押し付けられる連結部とを有し、
結合部材と連行体との間に第一の弾性手段が備えられており、当該第一の弾性手段がプローブキャリッジに押圧力を及ぼし且つ当該プローブキャリッジを少なくとも一つのガイド面に向けて押圧し、
結合部材とプローブキャリッジとの間に第二の弾性手段が備えられており、当該第二の弾性手段は、プローブキャリッジに押圧力を及ぼし且つ当該プローブキャリッジを少なくとも一つのガイド面に向けて押圧し、
第一の弾性手段は、第二の弾性手段から測定方向に隔てられて設けられている。

第一の弾性手段は、第一の位置にて押圧力をプローブキャリッジに及ぼし、第二の弾性手段は、第一の位置に対して測定方向に隔てられた位置にて押圧力をプローブキャリッジに及ぼす。第一の位置及び第二の位置は、弾性手段によりプローブキャリッジに導入される力を働かせる位置（Ａｎｇｒｉｆｆｓｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。

本発明による長さ測定装置を用いることで正確な位置測定ができる。というのは、プローブキャリッジが振動なく安定に保持されるからである。測定方向に互いに隔てられた複数の位置にてプローブキャリッジに力が導入されるので、結合部材内とプローブキャリッジ内の曲げ応力は最小限に抑えられる。これにより、結合部材は、もっと脆弱なものでよくなるので、重さを節約した（低減された質量の）構成を実現することができ、これにより、耐振動性が向上し、測定精度の改善に寄与する。

結合部材は、引張応力と圧縮応力に対してはできるだけ変形しないように構成する必要がある。

連結する部材に対してプローブキャリッジの長さが目一杯使えるので、スペースを節約した構成が担保されている。結合部材は、スペースを節約しつつ、プローブキャリッジの全長に亘って敷くことができ、したがって測定方向に比較的長く形成された状態にできる。両側で継手により支承されたこの比較的長めの結合部材が、組み立て公差と、使用中におけるスケールと連行体との間の間隔変化（アライメントのずれにより引き起こされる）とを、測定方向に対して垂直にとりわけ上手く補償する。この場合に測定方向に現れる測定誤差は、結合部材が長ければ長いほどより一層小さくなる。

回転継手は、測定方向に互いに隔てられて配置されている。第一の回転継手は、（測定方向に着目すると）第一の弾性手段の位置に、或いは少なくともその傍に配置されており、第二の回転継手は、（測定方向に着目すると）第二の弾性手段の位置に、或いは少なくともその傍に配置されている。

これらの回転継手は、とりわけ、プローブキャリッジと連行体との間の次の自由度を補償するように構成されている：間隔、横方向ずれ、ヨー角、ピッチ角、ロール角。

回転継手を用いることで、これらの自由度において、測定方向に交差する方向におけるプローブキャリッジの連行体上への柔軟な連結を行うことができる。回転継手は、フレクシャーベアリング（Ｆｅｓｔｋｏｅｒｐｅｒｇｅｌｅｎｋ）の構成として、或いは玉継手として構成されている。

特に有利なのは、両方の回転継手がそれぞれ玉継手として構成されている場合である。この場合、両方の弾性手段は、個々のボールを、このボールに対応する収容座部に押し付けることで、ボールと収容座部とが互いに押し合うようにし、これにより関節動可能ではあるが測定方向にはがたつきのない（遊びのない）結合を実現するという付加的な機能を有する。

発明のさらに有利な構成は、下位請求項において実施されている解決手段にから明らかとなる。

図と関連した実施例の以下の記載に基づいて本発明のさらなる詳細と長所を説明する。

本発明による長さ測定装置の原理図である。 本発明による長さ測定装置の具体的構成の断面図である。 図２の長さ測定装置のＡ−Ａ線断面図である。 図２の長さ測定装置のＢ−Ｂ線断面図である。 図２の長さ測定装置のＣ−Ｃ線断面図である。 図２の長さ測定装置のＤ−Ｄ線断面図である。

本発明を光学的な長さ測定装置の例で示す。この装置により、測定方向Ｘに互いに移動可能な二つの対象物の相対的な位置が測定されることになる。位置測定のために、長さ測定装置のスケール１がこれら対象物の一方に固定され、長さ測定装置のプローブキャリッジ２がこれら対象物の他方に固定される。ここで、スケール１は、当該スケール１に対して測定方向Ｘに相対的に移動可能なプローブキャリッジ２により読み取られる。スケール１は、目盛り１１を有し、この目盛りがプローブキャリッジ２によって読み取られる。さらに、プローブキャリッジ２は、光ビームを照射する照明ユニットを備え、光ビームは、目盛り１１の位置に応じて変調されて、最終的にはプローブキャリッジ２の光感知式読み取りセンサに当たる。

スケール１は、支持体４に設けられている。図２乃至６による具体例では、支持体４は中空プロファイルであり、その内部にスケール１とプローブキャリッジ２とが保護された状態で収納されている。ここで、スケール１は、例えば接着や締結といった公知の方法で支持体４に接合されている。中空プロファイルとして形成された支持体４は、その長手方向において、測定方向Ｘに延在するようにしてスリットを有しており、このスリットが、屋根形に傾斜したシールリップにより密閉されていて、連行体３は、刀形の中心部分がこのシールリップを貫くように係入している。連行体３は取付部３１を有し、連行体は、この取付部によって測定対象の一つに、例えば工作機械のスリットに、固定されている。

プローブキャリッジ２は、正確な平行ガイドのために、スケール１に沿って、当該スケール上又は代替的に支持体４上を案内されている。そのために、プローブキャリッジ２は、図示された実施例においては、案内子２１，…，２４を介して、互いに垂直に配向されたスケール１の二つのガイド面１２，１３上に支持されている。これらガイド面１２の一つが、目盛り１１を保持する表面であり、他方のガイド面１３がそれに対して垂直に延びるスケール１の幅狭の面である。案内子２１，…，２４は、摺動部材でもよいが、特にはボール軸受されたローラないし滑車としてもよい。

プローブキャリッジ２は、連結部によって測定方向Ｘにおいては硬直的に且つそれとは交差する方向には柔軟に連行体３に連結されている。連結部は、測定方向Ｘに延在する結合部材５を備え、結合部材は、プローブキャリッジ２側において遊びのない第一の回転継手５１に回転自在に支持されており且つ連行体３側において遊びのない第二の回転継手５２に回転自在に支持されている。

結合部材は、引張応力及び圧縮応力に対しては変形しないように、さらに好ましくは曲げ応力にも変形しないように構成されている。

図１の原理図において、二つの回転継手５１，５２は、概略的にのみ示されている。

図２乃至６の具体的な実施例において、第一の回転継手５１は、ボール５１１からなる玉継手として構成されており、一方では結合部材５の収容座部５１２内で回転可能とされ且つ他方ではプローブキャリッジ２の収容座部５１３内で回転可能とされている。結合部材５とプローブキャリッジ２の間のボール５１１は、プローブキャリッジ２を測定方向Ｘにおいて結合部材５上で動かないように拘束するが、全ての方向における回転運動は補償する。

第二の回転継手５２は、同じようにして、今度は連行体３に造形されているボール５２１と、結合部材５における対応する収容座部５２２とからなる玉継手として構成されている。結合部材５と連行体３との間のボール５２１は、結合部材５を測定方向Ｘにおいて連行体３上で動かないように拘束するが、全ての方向における回転運動は補償する。

収容座部５１２，５１３，５２２は、Ｖ字形、プライパン形、或いは半碗として構成されていてもよい。重要なことは、それにより遊びなく且つ測定方向Ｘには不動の回転軸受けが構成されることである。

また、連行体３上にプローブキャリッジ２を連結する連結部は、プローブキャリッジ２を少なくとも一つのガイド面１２，１３に押し当てるように構成されている。このために、第一の弾性手段６が、結合部材５と連行体３との間に設けられており、これが第一の押圧力Ｆ_Ａをプローブキャリッジ３に作用させ、プローブキャリッジを少なくとも一つのガイド面１２，１３に押し当てる。弾性力Ｆ_Ｆを有する第一の弾性手段６は、結合部材５に作用し、回転継手５１の位置にて押圧力Ｆ_Ａをプローブキャリッジ２に及ぼす。示された対称的な配置では、

Ｆ_Ａ＝Ｆ_Ｆ＊Ｌ／Ａ

ここで、
Ｆ_Ｆ 弾性部材６又は７の弾性力
Ｌ 二つの弾性部材６，７の相互間隔
Ａ 二つの回転継手５１，５２の相互間隔

さらに、第二の弾性手段７が、結合部材５とプローブキャリッジ３との間に設けられており、これが第二の押圧力Ｆ_Ｆをプローブキャリッジ３に及ぼし、プローブキャリッジ３を同じように少なくとも一つのガイド面１２，１３に押し当てる。第一の弾性手段６は、第二の弾性手段７から測定方向Ｘに離れて配置されており、図１ではこの間隔がＬによって示されている。

第一の回転継手５１が、ボール５１１、収容座部５１２及び収容座部５１３からなる玉継手として構成されている場合、弾性手段６は、ボール５１１がプローブキャリッジ２を測定方向Ｘに遊びなく結合部材５上に拘束するようにして回転継手５１を構成する部品を一つにまとめる。

第二の回転継手５２が、同じように、ボール５２１及び対応する収容座部５２２からなる玉継手として構成されている場合、第二の弾性手段７は、ボール５２１を保持し、それにより結合部材５を測定方向Ｘに遊びなく連行体３上に拘束する。

具体的な実施例において、第一の弾性手段６及び第二の弾性手段７は、いずれも押しバネ、とりわけコイル・スプリングである。

第一の弾性手段６及び第二の弾性手段７は、具体的な実施例では、弾性手段６，７のそれぞれが、ガイド面１２に向かう力成分と、他のガイド面１３に向かう他の力成分とによってプローブキャリッジ２を押すように設けられている。弾性手段６，７がそれぞれ押しバネである場合、これらの押しバネは、図４及び６に示されているように、両方のガイド面１２，１３の方に傾けて配置されている。

特に有利なのは、第一の弾性手段６及び第二の弾性手段７が、そこから導き出されるプローブキャリッジ２上への押圧力がプローブキャリッジ２の重心Ｓに位置するように配置され且つ構成されている場合である。これらの解決手段によって、プローブキャリッジ２は、平衡状態で最適に保たれる。

弾性手段６及び７が同一のバネ特性を持つという前提条件のもとでは、第一の弾性手段６及び第二の弾性手段７は、プローブキャリッジ２の重心（質量中心）Ｓから測定方向Ｘに関してそれぞれ等間隔Ｌ／２で配置されている。

力の伝わり方を最適化するために、弾性手段６，７は、（測定方向に着目すると）回転継手５１，５２の位置か或いはその近くにそれぞれ配置されている。間隔Ｌは、間隔Ａに合せてもよい。場所的な理由から、図示された例におけるように、ＡがＬに等しくないように選ばれていてもよい。回転継手５１，５２における垂直抗力Ｆ_Ａ、従って回転継手５１，５２における摩擦モーメント（Ｒｅｉｂｍｏｍｅｎｔ）は、ＬがＡより小さく選ばれると減る。

対称的な配置では、回転継手５１及び５２における支承力（Ａｕｆｌａｇｅｋｒａｆｔ）Ｆ_Ａに対してそれぞれ次が成立する。

Ｆ_Ａ＝Ｆ_Ｆ＊Ｌ／Ａ

プローブキャリッジ２上に得られる押圧力は、

Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｆ

有利なのは、第一の回転継手５１及び第二の回転継手５２は、プローブキャリッジ２の重心（質量中心）Ｓから測定方向Ｘに着目して等距離Ａ／２で配置されている場合である。

プローブキャリッジ２の重心Ｓ（質量中心点）が真ん中に位置していない場合、異なる弾性手段を用いる且つ／又は弾性手段及び回転継手の間の距離が異なるようにすることで、得られる押圧力が中央から実際の重心Ｓの方にずらされるようにしなければならない。

目盛りは、インクリメンタル形の目盛りやアブソリュート形のコードとすることができる。

本発明は、光学式の読み取り原理に限られない。スケールの読み取りは、容量式、磁気式、或いは誘導式に行なうことができ、それに合せて目盛りと読み取りセンサが然るべく構成されていることになる。

Claims (11)

1. −測定方向（Ｘ）において縦長に延在した支持体（４）であって、当該支持体上に設けられたスケール（１）を有する支持体、
   −スケール（１）の目盛り（１１）を走査するプローブキャリッジ（２）であって、少なくとも一つのガイド面（１２，１３）上を測定方向（Ｘ）において縦長に案内されているプローブキャリッジ（２）、
   −連結部であって、当該連結部によって、プローブキャリッジ（２）が測定方向（Ｘ）においては硬直的に且つそれと交差する方向には柔軟に連行体（３）に連結されており、測定方向（Ｘ）に延在する結合部材（５）を有し、当該結合部材は、プローブキャリッジ（２）側において第一の回転継手（５１）に回転自在に支持されており且つ連行体（３）側において第一の回転継手（５１）に対して測定方向（Ｘ）に隔てられた第二の回転継手（５２）に回転自在に支持されており、プローブキャリッジ（２）が少なくとも一つのガイド面（１２，１３）に向けて押し付けられる連結部、
   を有する長さ測定装置において、
   −結合部材（５）と連行体（３）との間の第一の弾性手段（６）であって、第一の位置においてプローブキャリッジ（２）に押圧力を及ぼし且つ当該プローブキャリッジを少なくとも一つのガイド面（１２，１３）に向けて押圧する第一の弾性手段、及び
   −結合部材（５）とプローブキャリッジ（２）との間の第二の弾性手段（７）であって、第二の弾性手段（７）から測定方向（Ｘ）に隔てられて設けられており、第一の位置に対して測定方向（Ｘ）に隔てられた第二の位置においてプローブキャリッジ（２）に押圧力を及ぼし且つ当該プローブキャリッジを少なくとも一つのガイド面（１２，１３）に向けて押圧する第二の弾性手段を有することを特徴とする長さ測定装置。
2. プローブキャリッジ（２）が、互いに垂直に延在する二つのガイド面（１２，１３）上で測定方向（Ｘ）において縦長に案内されている請求項１に記載の長さ測定装置。
3. プローブキャリッジ（２）が、互いに垂直に延在するスケール（１）の二つのガイド面（１２，１３）上で測定方向（Ｘ）において縦長に案内されている請求項２に記載の長さ測定装置。
4. 第一の回転継手（５１）と第二の回転継手（５２）は、それぞれ玉継手として構成されている請求項１に記載の長さ測定装置。
5. 第一の弾性手段（６）と第二の弾性手段（７）は、それぞれ押しバネである請求項１に記載の長さ測定装置。
6. 第一の弾性手段（６）と第二の弾性手段（７）は、プローブキャリッジ（２）上に生じる押圧力がプローブキャリッジ（２）の重心（Ｓ）にあるように配置され且つ構成されている請求項１に記載の長さ測定装置。
7. 第一の弾性手段（６）と第二の弾性手段（７）は、それぞれ押しバネである請求項６に記載の長さ測定装置。
8. 第一の弾性手段（６）と第二の弾性手段（７）は、測定方向（Ｘ）に着目して、プローブキャリッジ（２）の重心（Ｓ）から等距離（Ｌ／２）のところに配置されている請求項１に記載の長さ測定装置。
9. 第一の弾性手段（６）と第二の弾性手段（７）は、それぞれ押しバネである請求項８に記載の長さ測定装置。
10. 第一の回転継手（５１）と第二の回転継手（５２）は、測定方向（Ｘ）に着目して、プローブキャリッジ（３）の重心（Ｓ）から等距離（Ａ／２）のところに配置されている請求項１に記載の長さ測定装置。
11. 第一の回転継手（５１）と第二の回転継手（５２）は、それぞれ玉継手として構成されている請求項１０に記載の長さ測定装置。

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