JP3609271B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対移動する一対の部材の相対移動変位量を測定する変位測定装置に関し、詳しくは、相対移動する一方の部材に取付けられて相対移動する方向に沿って目盛りを有するスケールと、相対移動する他方の部材に取付けられてスケールの目盛りを読み取る検出器とを備えた変位測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
被測定物の形状、寸法等の測定を行う測定機としてハイトゲージ（一次元測定機）、三次元測定機、輪郭測定機等が知られている。この種の測定機は被測定物に当接するスクライバーやプローブ等の測定子を支持する移動部材を測定機の案内レールに沿って相対移動させ、それらが被測定物に関与（接触又は非接触）したときの相対移動量を基に被測定物の形状や寸法等を測定するが、この移動部材の相対移動量は、案内レールに密着して装着されたスケールと、光源、受光素子等の光学的な検出器等から構成された変位測定装置によって測定される。
【０００３】
変位測定装置を構成するスケールは、通常、ガラス材料で形成され、このスケールが取付けられる測定機の案内レールはグラナイト（はんれい岩）、ステンレス、セラミックス等によって形成されている。すなわち、スケールと、スケールが密着して取付けられる案内レールとは線膨張係数の異なる異種材料で形成されているので、温度変化があった場合には、線膨張係数の差によってスケールと案内レールとの間に熱応力が生じ、この熱応力に伴う歪みがスケールの均一な伸縮を妨げて、測定精度を悪化させる場合がある。
【０００４】
そこで、従来、温度変化に伴う測定精度の悪化を防止するために、スケールを板ばねにより押圧することで案内レールに密着させて支持させ、温度変化によって案内レールとスケールとが伸縮する際にスケールと案内レールとを各々独立して伸縮させることでスケールに熱応力が生じないようにしていた。
しかし、この方法では、板ばねによる押圧箇所に大きな摩擦力が生じるため、温度変化があった場合に案内レールとスケールとの間に生じる熱応力を完全に解消することができず、測定誤差の悪化を防止できないという不具合があった。
【０００５】
このような不具合を解消する方法として、本出願人は、スケールを弾性部材で案内レールに対して押圧することにより取り付けるとともに、スケールと案内レールとの間に、フッ化炭素重合体と呼ばれる高分子材料からなる板状の摩擦低減材を介装する方法を提案した（特開平６−１８５９５０号公報）。この方法によると、スケールと案内レールとの間に生じる摩擦力を低減できるので、温度変化によってスケールと案内レールとが各々異なる伸縮量を示したとしても、それぞれ自由に伸縮することができる上に、熱応力に基づく歪みを低減できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した特開平６−１８５９５０号公報の方法は、汎用型の変位測定装置に適用した場合には十分な測定精度が得られるものの、高精度な変位測定装置においては精度の面で不十分であった。すなわち、この方法では、スケールおよび案内レールを摩擦低減材と面接触させるため、比較的摩擦力の大きい滑り摩擦が生じるので、摩擦係数を十分に低減できなかった。このため、スケールと案内レールとの間に生じる熱応力を十分に解消できず、高精度な測定に要求される測定精度が得られないという問題があった。
【０００７】
また、高精度な測定装置では、環境温度の変化に対応させるために、温度変化に基づく精度低下を所定の演算処理によって補正する温度補正を行うことが多い。このような温度補正を行うときに、スケールと案内レールとの間に熱応力が生じると、熱的ヒステリシスや線膨張係数における誤差が発生して正確な補正を行えなくなるため、測定精度が低下するおそれがあった。
【０００８】
本発明の目的は、相対移動する一対の部材の相対変位量を環境温度の変化に拘わらず高精度に測定できる変位測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対移動する一方の部材に取付けられて相対移動する方向に沿って目盛りを有するスケールと、相対移動する他方の部材に取付けられてスケールの目盛りを読み取る検出器とを備えた変位測定装置であって、スケールは、一方の部材に転がり軸受けを介して取り付けられているとともに、転がり軸受けは、スケールを挟持する一対の挟持部と、各挟持部およびスケールの間に介装された複数の針状ころによって構成され、前記複数の針状ころは、スケールの長手方向に沿って並べられて保持されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、転がり軸受けとは、回転可能な複数の転動体を有する軸受けであり、転がり軸受けのころがりの摩擦係数は、通常、滑りの摩擦係数の約１／１０程度である。
本発明においては、スケールが転がり軸受けを介して一方の部材に取り付けられているため、スケールと一方の部材との間に生じる摩擦力を大幅に低減できる。例えば、特開平６−１８５９５０号公報の摩擦低減材を介在させた場合よりも摩擦力を低減できるので、環境温度の変化によりスケールと一方の部材とが各々異なる伸縮量を示したとしても、スケールと一方の部材とを相互に拘束されることなく自由に伸縮させることができる。従って、熱応力に基づく歪みを低減できるので、一対の部材の相対移動量を検出するときの測定精度を向上させることができ、高精度な測定装置に適用しても十分な測定精度を確保できる。
また、温度補正を行う場合にも、転がり軸受けによってスケールと一方の部材との摩擦係数を大幅に低減できるので、熱応力による熱的ヒステリシスや線膨張係数における誤差を低減できる。従って、正確な補正を行うことができるので、高精度な測定にも十分に対応できる優れた測定精度が得られる。
【００１１】
また、転がり軸受けは、スケールを挟持する一対の挟持部と、各挟持部およびスケールの間に介装された複数の針状ころとを有する針状ころ軸受けとする。このように転動体として針状ころを用いた針状ころ軸受け（ニードルローラベアリング）を用いれば、玉軸受け（ボールベアリング）やころ軸受け（ローラベアリング）等の他の軸受けよりも接触面積が大きいので大荷重に耐えられる上に、針状ころの径寸法は通常のころ（ローラ）の径寸法よりも小さいから、装置の小型化を実現できる。さらに、玉が任意の方向に転がる玉軸受けと比較して、ころ軸受けの転がり方向は制約されるため、スケールところとの間で転がり方向以外の方向（スケールの幅方向）に摩擦力が生じ、スケールの固定に十分な力が働くから、測定中等におけるスケールの幅方向へのずれを防止できる。
【００１２】
この場合、一方の挟持部は一方の部材に固定され、スケールは、弾性部材により他方の挟持部を一方の挟持部に対して押圧することによって一方の部材に取り付けられていることが望ましい。
このようにすれば、スケールと一方の部材とをそれぞれ独立して自由に伸縮させることができるので、熱応力の発生を一層抑制できる。
また、弾性部材とスケールとの間にも針状ころを介在させるので、これらの間で発生する摩擦力も確実に低減できる。
【００１３】
以上において、転がり軸受けは、スケールの長手方向に沿って間欠的に設けられていることが好ましい。
このようにすると、スケールおよび一方の部材と軸受けとの接触面積を少なくすることができるので、摩擦力を一層低減できる。
【００１７】
以上において、スケールは、長手方向の一部分が板ばねを介して一方の部材に固定されていることをが望ましい。この場合、板ばねは、近接した位置であれば、１つに限らず、数個でもよい。
このようにすると、スケールを一方の部材に対して位置調整しつつ簡単に固定することができる。つまり、これが取り付けられる機械や装置の所定位置に正確かつ簡単に取り付けでき、しかも、取り付けられた状態にあっては、これら機械や装置の駆動によって振動等が発生しても、その振動等によってスケールが動くことがないから、いわゆる原点ずれを防止しつつ、熱応力に基づく歪みを低減できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施形態の変位測定装置１を組み込んだ三次元測定機２０が示されている。
三次元測定機２０は、被測定物に当接する測定子としてのプローブ２１をＸＹＺ方向に移動させて、プローブ２１が被測定物に接触したときの相対移動量を基に被測定物の形状や寸法等を測定するものであり、定盤２２と、この定盤２２上をＹ軸方向に移動可能な門型フレーム２４とを備えている。
【００１９】
定盤２２の上面にはＹ軸方向に延びる案内レール２６が取付けられ、この案内レール２６に沿って門型フレーム２４の一方の脚部２４ＡがＹ軸方向に摺動しながら移動するようになっている。なお、門型フレーム２４の他方の脚部２４Ａの下面には、図示しないエアベアリングが配設され、このエアベアリングによって脚部２４Ａが定盤２２上に摺動自在に支持されている。
門型フレーム２４のブリッジ部２４Ｂには、Ｘ軸スライダ４１がＸ軸方向に摺動自在に配設されている。このＸ軸スライダ４１には、Ｚ軸支持部材４２が設けられ、このＺ軸支持部材４２にＺ軸方向に摺動しながら移動するプローブ２１が配設されている。
【００２０】
このような三次元測定機２０は、相対移動する一対の部材の相対変位量を測定する変位測定装置１により、案内レール２６と脚部２４Ａとの相対移動量、ブリッジ部２４ＢとＸ軸スライダ４１との相対移動量、およびプローブ２１とＺ軸支持部材４２との相対移動量をそれぞれ測定して、被測定物の形状や寸法等を求めるように構成されている。
変位測定装置１は、図２に示すように、相対移動する一方の部材に取付けられて相対移動する方向に沿って目盛りを有する板状のスケール１１と、相対移動する他方の部材に取付けられてスケール１１の目盛りを読み取る変位検出器１２とを備えている。
【００２１】
スケール１１は、例えば、ガラス等で形成されたものであり、スケール精度および温度特性を向上させるためには、線膨張係数ゼロの特殊ガラスにより形成することが好ましい。
このスケール１１には、一対の部材の相対移動方向となる長手方向に沿って目盛りが設けられている。なお、スケール１１の目盛りは、一定幅の光反射帯および光吸収帯をＹ軸方向に交互に形成したもの、或いは光遮断帯および光透過帯をＹ軸方向に交互に形成したもの等、検出器１２によって変位を検出できればどのようなものでもよい。
変位検出器１２の種類は特に制限されないが、例えば、光源、受光素子等を備えた光学的な検出器を採用できる。
また、本実施形態の変位測定装置１は、環境温度の変化に対応させるために、温度変化に基づく精度低下を所定の演算処理によって補正する温度補正を行うように構成されている。この温度補正は、熱的ヒステリシスや線膨張係数に基づく補正係数を用い、温度変化に応じて測定値を補正するものである。
【００２２】
このような本実施形態の変位測定装置１は、案内レール２６と脚部２４ＡとのＹ軸方向の相対移動量を測定するために、案内レール２６と門型フレーム２４の脚部２４Ａとの間に設けられている。
すなわち、本実施形態の案内レール２６には、図１および図２に示すように、グラナイト（はんれい岩）、ステンレス、アルミナセラミックス等からなるスケールベース２８が長手方向に沿って間欠的に設けられている。
スケールベース２８は、図３、図４および図５にも示すように、案内レール２６に固定される固定面２８Ａとこの固定面２８Ａの端部から立ち上がる立上部２８Ｂと、この立上部２８Ｂから固定面２８Ａと平行に延びる保持面２８Ｃとを有して断面略コ字状に形成されている。
【００２３】
このようなスケールベース２８内には、スケール１１の一側縁が案内レール２６と平行に挿入され、スケール１１の長手方向に沿って設けられた目盛が、案内レール２６および脚部２４Ａの相対移動方向と平行にされている。
このスケール１１は、長手方向の一部分（一端側部分）がスケール１１の表裏面を挟持する比較的ばね性の強い断面コ字状の板ばね５８（図３参照）を介して前記案内レール２６に固定されているとともに、その部分を除く長手方向の数箇所においては、立上部２８Ｂに突設されたピン２８１（図２参照）に当接されて位置決めされ、かつ、針状ころ軸受け５を介してスケールベース２８に取り付けられている。なお、スケール１１を案内レール２６に固定する場所は、スケールの他端側や中間部でもよく、あるいは、それ以外の場所でもよい。
針状ころ軸受け５は、図４に示すように、スケール１１を挟持する一対の挟持部５１，５２と、各挟持部５１，５２およびスケール１１の間に介装された複数の針状ころ５３とを備えている。
一方の挟持部５１は、スケールベース２８の固定面２８Ａに兼用され、具体的には、固定面２８Ａに設けられた一対の保持部２８２，２８３（図２参照）間に複数の針状ころ５３を保持するように構成されている。
【００２４】
他方の挟持部５２は、スケール１１側に突出する一対の保持部５２１，５２２（図３参照）を備え、これらの保持部５２１，５２２間に複数の針状ころ５３を保持するようになっている。
この挟持部５２は、スケールベース２８の保持面２８Ｃと直交する一対のプランジャ５４によって一方の挟持部５１に向かって押圧され、これにより、スケール１１がスケールベース２８の固定面２８Ａに押圧されて保持されている。プランジャ５４は、図６に示すように、シリンダ５５に挿入された状態で保持面２８Ｃにねじ５６固定され、シリンダ５５内に収納された弾性部材としての圧縮コイルばね５７により、先端部が一方の挟持部５２に向かって突出する方向に付勢されている。
【００２５】
このような一対の挟持部５１，５２に各々保持される針状ころ５３は、図２および図４に示すように、案内レール２６および脚部２４Ａの相対移動方向、つまり、スケール１１の長手方向に沿って並べられて保持され、スケール１１に当接されている。これにより、スケール１１およびスケールベース２８がそれぞれ独立して伸縮できるようになっている。
【００２６】
一方、図２に示すように、スケール１１の目盛りを読み取る変位検出器１２は、Ｙ軸方向に移動する他方の部材としての脚部２４Ａに設けられ、これにより、案内レール２６と脚部２４Ａとの相対移動量を検出できるようになっている。
図１に戻って、以上に述べたＹ軸方向の場合と同様に、ブリッジ部２４ＢとＸ軸スライダ４１との間、および、プローブ２１とＺ軸支持部材４２との間にも、図示しないが、それぞれ変位測定装置が設けられ、ブリッジ部２４ＢとＸ軸スライダ４１とのＸ軸方向の相対移動量およびプローブ２１とＺ軸支持部材４２とのＺ軸方向の相対移動量をそれぞれ測定するようになっている。
【００２７】
このように構成された本実施形態においては、スケール１１と、スケール１１が取付けられているスケールベース２８とがそれぞれ異種材料により形成されている場合、環境温度が変化すると、スケール１１およびスケールベース２８は、材料の線膨張係数の違いによって異なる伸縮量を示す。
このとき、針状ころ軸受け５の針状ころ５３は、スケール１１およびスケールベース２８の伸縮に応じて転動するので、スケール１１およびスケールベース２８は、互いに独立してそれぞれに伸縮する。
特に、本実施形態のスケール１１は、圧縮ばね５７の付勢力によりプランジャ５４に押圧されて取り付けられているので、止着具等でスケールベース２８に固定した場合よりも、各々の伸縮が一層自由に行われる。
【００２８】
この際、スケール１１とスケールベース２８との間の摩擦係数に応じた摩擦力、つまり、熱応力が、スケール１１とスケールベース２８との間に生じるが、本実施形態では、スケール１１とスケールベース２８との間に針状ころ軸受け５を介在させているので、その間に生じる摩擦力は極めて低くなる。特に、圧縮コイルばね５７により付勢されるプランジャ５４とスケール１１との間にも軸受け５が介在するので、付勢力が大きくてもプランジャ５４とスケール１１との間に生じる摩擦力は小さい。
従って、環境温度が変化した場合でもスケール１１とスケールベース２８とは相互に拘束しあうことなく自由に伸縮するため、熱応力はスケール１１にほとんど働かず、熱応力によってスケール１１に生じる歪みは極めて少なくなる。
また、温度補正を行うにあたっては、熱応力による熱的ヒステリシスや線膨張係数における誤差がほとんどなくなって高精度な温度補正を行うことができる。
【００２９】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
すなわち、スケール１１が針状ころ軸受け５を介してスケールベース２８に取り付けられているため、スケール１１とスケールベース２８との間に生じる摩擦力を大幅に低減できるから、環境温度の変化によりスケール１１とスケールベース２８とが各々異なる伸縮量を示したとしても、スケール１１とスケールベース２８とを相互に拘束させることなく自由に伸縮させることができる。従って、熱応力に基づく歪みを低減できるので、スケールベース２８と門型フレーム２４の脚部２４Ａとの相対移動量、ブリッジ部２４ＢとＸ軸スライダ４１とのＸ軸方向の相対移動量およびプローブ２１とＺ軸支持部材４２とのＺ軸方向の相対移動量をそれぞれ検出するときの測定精度を向上させることができ、高い精度を要求される測定にも対応できる十分な測定精度を確保できる。
また、温度変化に応じて温度補正が行う際に、針状ころ軸受け５によってスケール１１とスケールベース２８との摩擦係数を大幅に低減できるので、熱応力による熱的ヒステリシスや線膨張係数における誤差を低減できるから、正確な補正を行うことができ、高精度な測定にも十分に対応できる優れた測定精度が得られる。
【００３０】
そして、針状ころ５３を用いた針状ころ軸受け５が用いられているので、玉軸受けやころ軸受け等の他の軸受けよりも大荷重に耐えられる上に、針状ころ５３は、通常のころよりも径寸法が小さいから装置２０の小型化を実現できる。
【００３１】
さらに、スケールベース２８に固定された一方の挟持部５１に対して他方の挟持部５２を圧縮ばね５７により押圧することによって、スケール１１がスケールベース２８に取り付けられているので、スケール１１とスケールべース２８とをそれぞれ独立して確実に伸縮させることができるので、熱応力の発生を一層抑制できる。
また、圧縮ばね５７とスケール１１との間にも針状ころ５３が介在するので、これらの間で発生する摩擦力も確実に低減できる。
【００３２】
そして、軸受け５は間欠的に設けられているので、スケール１１およびスケールベース２８と軸受け５との接触面積を少なくすることができるから、摩擦力を一層低減できる。
【００３７】
前記実施形態では、スケールベースを案内レールに対して間欠的に設けたが、案内レールに沿って連続した長尺のスケールベースを設けてもよい。この場合、軸受けは、前記実施形態と同様に間欠的に設けてもよく、スケールベースに沿って延びる長尺のものとしてもよい。
【００３８】
前記実施形態では、スケールを圧縮コイルばねにより押圧してスケールベースに取り付けたが、スケールを押圧する弾性部材はこれに限定されず、例えば、板ばね等の他の弾性部材を用いてもよい。
【００３９】
そして、前記実施形態では、案内レール２６にスケール１１を取り付けて、案内レール２６に対して移動する門型フレーム２４にスケール１１の目盛りを読みとる変位検出器１２を取り付けたが、これとは逆に、門型フレーム２４にスケール１１を取り付けて、案内レール２６に変位検出器１２を設けてもよい。この場合、スケールベース２８を門型フレーム２４に取り付けて、前記実施形態と同様に、このスケールベース２８に転がり軸受けを介してスケール１１を保持させればよい。
【００４０】
前記実施形態では、本発明を三次元測定機に適用した場合について説明したが、これに限らずハイトゲージ（一次元測定機）、輪郭測定機や工作機械等の相対移動する２つの部材間の変位測定に適用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、相対移動する一方の部材に取付けられて相対移動する方向に沿って目盛りを有するスケールと、相対移動する他方の部材に取付けられてスケールの目盛りを読み取る検出器とを備えた変位測定装置において、スケールを転がり軸受けを介して一方の部材に取り付けることで、スケールと一方の部材との間に生じる摩擦力を大幅に低減できるから、環境温度の変化によりスケールと一方の部材とが各々異なる伸縮量を示したとしても、スケールと一方の部材とを相互に拘束されることなく自由に伸縮させることができる。従って、熱応力に基づく歪みを低減できるので、一方の部材と他方の部材との相対移動量を検出するときの測定精度を向上させることができ、高精度な測定装置においても十分な測定精度を確保できる。
また、温度補正を行う場合にも、転がり軸受けによってスケールと一方の部材との摩擦係数を大幅に低減できるので、熱応力による熱的ヒステリシスや線膨張係数における誤差を低減できるから、高精度な測定にも十分に対応できる優れた測定精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図。
【図２】前記実施形態の変位測定装置の要部を示す断面図。
【図３】前記実施形態の変位測定装置のスケールの取付け状態を示す斜視図。
【図４】前記実施形態の変位測定装置のスケールの取付け状態を示す断面図。
【図５】前記実施形態の変位測定装置のスケールの取付け状態を示す図。
【図６】前記実施形態の変位測定装置の弾性部材による押圧状態を示す断面図。
【符号の説明】
１ 変位測定装置
５ 針状ころ軸受け
１１ スケール
１２ 変位検出器
２０ 三次元測定器
２４ 門型フレーム
２４Ａ 脚部（他方の部材）
２４Ｂ ブリッジ部
２６ 案内レール
２８ スケールベース（一方の部材）
５１，５２ 挟持部
５３ 針状ころ
５４ プランジャ
５７ 圧縮コイルばね（弾性部材）

Claims (4)

1. 相対移動する一方の部材に取付けられて相対移動する方向に沿って目盛りを有するスケールと、前記相対移動する他方の部材に取付けられて前記スケールの目盛りを読み取る検出器とを備えた変位測定装置であって、
   前記スケールは、前記一方の部材に転がり軸受けを介して取り付けられ、
   前記転がり軸受けは、前記スケールを挟持する一対の挟持部と、各挟持部およびスケールの間に介装された複数の針状ころによって構成され、
   前記複数の針状ころは、前記スケールの長手方向に沿って並べられて保持されていることを特徴とする変位測定装置。
2. 請求項１に記載した変位測定装置において、
   前記一方の挟持部は前記一方の部材に固定され、
   前記スケールは、弾性部材により他方の前記挟持部を前記一方の挟持部に対して押圧することによって前記一方の部材に取り付けられていることを特徴とする変位測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した変位測定装置において、
   前記転がり軸受けは、前記スケールの長手方向に沿って間欠的に設けられていることを特徴とする変位測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載した変位測定装置において、
   前記スケールは、長手方向の一部分が板ばねを介して前記一方の部材に固定されていることを特徴とする変位測定装置。

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