JP3911432B2 - 昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機に関する。詳しくは、上下方向へ昇降する昇降部材を支持する昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機に関する。
【０００２】
【背景技術】
昇降部材を上下方向へ昇降駆動させるＺ方向駆動機構が知られている。このような昇降部材のＺ方向駆動機構は、例えば、測定対象物の位置および／または座標を測定する三次元測定機などに利用されている。
従来、Ｚ方向駆動機構は、図４に示されるように、下端に測定子１３を有し垂直に支持されたＺ軸スピンドル１２と、このＺ軸スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド部材２２と、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸と平行に設けられたボールねじ軸２２１と、Ｚ軸スピンドル１２に設けられボールねじ軸２２１に螺合するボールねじナット２２２と、ボールねじ軸２２１を回転駆動させる駆動モータ２２３とを備えて構成されている。
【０００３】
ガイド部材２２はガイド筒部２２Ａを有し、このガイド筒部２２ＡにＺ軸スピンドル１２が上下方向移動可能に挿通されている。ガイド筒部２２Ａの内周にはエアベアリング２３が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２との間にエア膜による空気軸受けが形成されることにより、ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦抵抗が低減されている。ガイド部材２２には、垂直上方に向かって立設された支柱２５が設けられている。この支柱２５の上端には、Ｚ軸スピンドル１２の上方を覆うように、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して垂直な横梁２６が形成されている。
ボールねじ軸２２１は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して平行で、かつ、一定の間隔を隔ててガイド部材２２に設けられている。ボールねじ軸２２１の上端は支柱２５の横梁２６に支持され、下端ではベルト２２４によって駆動モータ２２３と連動されている。
【０００４】
Ｚ軸スピンドル１２には、その重心近傍を通るように支持軸２８が挿通されており、この支持軸２８の上端は支柱の横梁２６でスラスト玉軸受３５によって揺動支持されている。スラスト玉軸受３５は、支持軸２８の軸に直交する方向の負荷を吸収するための機構で、図５(Ａ)に示されるように、二つの平板３３Ａ，３３Ｂに挟まれたボール３４を備える。一方の平板３３Ａが支持軸２８に、他方の平板３３Ｂが横梁２６に固定されることにより、これらの間のボール３４を介して支持軸２８と横梁２６とが接続されている。また、この支持軸２８とＺ軸スピンドル１２の間には、Ｚ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させるエアバランス機構が設けられているが、詳しくは省略する。
図４に戻って、ボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に設けらた結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に固定されているとともに、ボールねじ軸２２１に螺合されている。
【０００５】
このような構成において、駆動モータ２２３を回転駆動させると、ボールねじ軸２２１が回転される。すると、ボールねじ軸２２１とボールねじナット２２２との螺合によってボールねじナット２２２がボールねじ軸２２１に沿って移動される。このボールねじナット２２２の駆動力が結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に伝達されるので、Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に駆動される。
ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間は、エアベアリング２３によって摩擦抵抗が低減されており、また、エアバランス機構によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う力でバランスされているので、Ｚ軸スピンドル１２はなめらかに移動することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＺ方向駆動機構には次のような問題があった。
Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に移動する場合、Ｚ軸スピンドル１２はエアベアリング２３によって軌道を拘束されて移動する。この時、ガイド筒部２２Ａのガイド方向と支持軸２８との方向がずれていた場合、図５(Ｂ)に示されるように、支持軸２８には、支持軸２８に直交する方向（水平方向）に力Ｐｍがかかる。この力Ｐｍは、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度に影響を与えるため、支持軸２８の上端に設けられたスラスト玉軸受３５によって力Ｐｍを除去する。つまり、スラスト玉軸受３５に力Ｐｍがかかると、ボール３４が水平方向に転がり、ボール３４の上に配置された平板３３Ａが水平方向にスライドして力Ｐｍを除去する。
【０００７】
ところが、ボール３４と平板３３Ａ，３３Ｂとの間には、ボール３４の転がり抵抗Ｐｆが存在する。したがって、この転がり抵抗Ｐｆによって支持軸２８にかかる負荷を十分に除去することができず、支持軸２８には曲げ応力が発生し、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度に影響を与えるという問題があった。
【０００８】
ところで、Ｚ軸スピンドル１２に駆動力を与えるボールねじ軸２２１およびボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸から距離を隔てて配置されている。ボールねじナット２２２の駆動力は、結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２の外側面に伝達される。その結果、Ｚ軸スピンドル１２の重心に対しては、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸とは交差する方向にトルクが発生するため、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じる。この影響は、Ｚ方向駆動機構を測定機などに用いた場合には測定誤差に繋がる。
【０００９】
そこで、本出願人は、先にＺ方向駆動機構をＺ軸スピンドル１２の内部に備えたものを提案した。これは、Ｚ軸スピンドル１２の上方に支持軸２８を挟み込む一対のローラと、これらのモータを駆動するモータとを設け、モータでローラを回転させることにより支持軸２８とローラとの間の摩擦でＺ軸スピンドル１２を上下移動させるものである。これによれば、Ｚ軸スピンドル１２を駆動する力がＺ軸スピンドル１２の重心近傍に接続された支持軸２８に沿ってかかるので、前述のボールねじ軸２２１の駆動機構によるようなトルクが発生せず、Ｚ軸スピンドル１２の垂直移動性が確保され、移動精度が向上する。
【００１０】
このような構成を有するＺ軸スピンドル１２では、高精度な移動が可能となったため、スラスト玉軸受３５のボール３４の転がり抵抗による精度への影響が無視できなくなるという問題が新たに派生してきた。
また、Ｚ軸スピンドル１２の上下移動が繰り返し行われるうちに、ボール３４の滑りによりボール３４が移動して支持軸２８にあたってしまう可能性もあった。
【００１１】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、昇降部材の移動精度を向上できる昇降部材支持機構を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の昇降部材支持機構は、ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段とを備え、前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、昇降部材が昇降する際に、例えばガイド手段のガイド方向と支持軸との方向がずれていた場合でも、スライドパッドがスライド面でスライドすることにより支持軸にかかる負荷を除去する。スライドパッドは空気軸受手段によって形成されたエア膜を介してスライドするので、スライドパッドと支持部材とが摺動せず、スライド面における摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。したがって、支持軸にかかる曲げ応力を低減でき、昇降部材の移動精度を向上することができる。
また、スライドパッドがスライドして支持軸にかかる負荷を除去すると、支持軸の他端は揺動するが、一端は昇降部材に設けられたバランス機構に接続されているので、支持軸は垂直方向に対して角度を持つこととなる。
本発明では、調心機構により、支持軸の角度変動を調節し、支持軸と昇降部材との軸方向を略一致させるので、支持軸に生じる曲げ応力を最小限に抑えることができ、昇降部材の移動精度をより一層向上することができる。
【００１６】
請求項２に記載の昇降部材支持機構は、ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段と、前記昇降部材に設けられ前記支持軸を相挟み込む少なくとも一対のローラと、前記ローラの少なくとも一つを回転させる回転駆動手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成において、回転駆動手段によってローラの少なくとも一つが回転されると、支持軸を挟み込みながらローラが回転される。すると、ローラには支持軸との摩擦力によって上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。ローラは昇降部材に設けられているので、ローラとともに昇降部材には上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。よって、昇降部材がガイド手段によってガイドされつつ上方向もしくは下方向に移動される。
本発明によれば、昇降部材を移動させる力はローラと支持軸との間で生じる。支持軸は昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に配置されているので、昇降部材を移動させる力も同様に、昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に働く。
従来、昇降部材に働く力は、昇降部材の外側面に作用していたため、昇降部材の重心位置に対しては、ガイド手段のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、昇降部材にはガイド方向とは交差する力が働き、昇降部材の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本発明によれば、昇降部材に働く力は、昇降部材の重心を通る移動軸に沿って作用するので、昇降部材はガイド手段に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。
また、このような構成を有する昇降部材では、昇降部材の移動の垂直性が確保されることで、昇降部材の移動精度が向上する。したがって、従来一般的に使用されていたスラスト玉軸受による昇降部材支持機構では、ボールの転がり抵抗による精度への影響を無視できなくなる。本発明によれば、支持軸にかかる負荷は、低摩擦係数を有するエア膜を介してスライドパッドがスライドすることで除去されるので、移動精度への影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
請求項３に記載の昇降部材支持機構は、請求項２に記載の昇降部材支持機構において、前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられていることを特徴とする。
このような構成において、スライドパッドがスライドして支持軸にかかる負荷を除去すると、支持軸の他端は揺動するが、一端は昇降部材に設けられたバランス機構に接続されているので、支持軸は垂直方向に対して角度を持つこととなる。
本発明では、調心機構により、支持軸の角度変動を調節し、支持軸と昇降部材との軸方向を略一致させるので、支持軸に生じる曲げ応力を最小限に抑えることができ、昇降部材の移動精度をより一層向上することができる。
請求項４に記載の昇降部材支持機構は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、前記バランス機構は、エアによって前記押上力を発生させるエアバランス機構であり、前記エアバランス機構は、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか一方に設けられたピストンと、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか他方に設けられ、かつ、内部に前記ピストンを収納して、そのピストンに対して上下方向へ相対往復運動可能なシリンダ室とを備え、前記シリンダ室の前記ピストンで区画された室にエアを送り込むことにより、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生することを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、シリンダ室のエアを送り込まれた室とエアを送り込まれなかった室との間に内圧の差が生じ、この内圧の差からピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力が生じる。ピストンとシリンダは互いに摺動可能であるが、支持軸は垂直方向には移動されないので、ピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力は、実質的に昇降部材に作用する。ピストンで区画されたシリンダ室のうち、エアを送り込む室を適宜選択することによって、昇降部材を重力に抗して押し上げる方向に力を作用させることができる。このように、昇降部材に押上げる力を作用させ、その重量に見合う押上力で押し上げると、昇降部材を昇降させる駆動機構には昇降部材の重量がかからないこととなる。例えば、支持軸に一対のローラとローラを回転させる回転駆動手段とを設けてローラを支持軸に対して回転させることで昇降部材を駆動する機構では、昇降部材の重量はローラにかからないこととなる。よって、ローラで支持軸を相挟み込んで、ローラと支持軸の摩擦力で昇降部材を上下に移動させる際に、ローラに昇降部材の重量による負荷がかからないので、ローラの駆動力で昇降部材の移動を精密に制御することができる。さらに、ローラの駆動力で昇降部材の重量を支える必要はないので、ローラの駆動力は小さい力でよく、動力の小さな回転駆動手段を用いることができるので、低コスト化に繋がる。
【００２０】
請求項５に記載の昇降部材支持機構は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、前記ガイド手段は、前記昇降部材を取り囲んで垂直方向にガイドするガイド筒と、前記ガイド筒と前記昇降部材との間に設けられたエアベアリング機構とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成によれば、ガイド手段のガイド筒によって、昇降部材は垂直方向にガイドされるので、昇降部材の移動の垂直性が確保される。ガイド筒と昇降部材との間にはエアベアリング機構が設けられているので、ガイド筒と昇降部材との間の摩擦を低減することができ、昇降部材をなめらかに、且つ、軽い力で移動させることができる。
【００２２】
請求項６に記載の測定機は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の昇降部材支持機構を用いて、測定対象物の位置および/または座標を測定するための測定子を移動させる移動機構を構成していることを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、請求項１〜５に記載の発明の効果を利用した測定機を構成することができるので、測定子の移動の垂直性を確保できる測定機とすることができる。その結果、この測定機を用いた測定の測定精度を向上させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機の実施の形態を図示例と共に説明する。
図１は、本発明にかかる昇降部材支持機構を測定機としての三次元測定機１に用いた一実施形態である。
この三次元測定機１は、測定対象物を載置するベース２と、測定子１３を移動させる移動機構を備えて構成されており、この移動機構として、測定子１３をＹ方向へ移動させるＹ方向駆動機構３と、測定子１３をＸ方向へ移動させるＸ方向駆動機構７と、測定子１３をＺ方向へ移動させるＺ方向駆動機構１１を備えている。
【００２５】
ベース２は測定対象物を載置するために精密平坦加工された上面を備える四角柱状である。説明のために、ベース２の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、ベース２の上面に垂直な方向をＺ方向とする。
Ｙ方向駆動機構３は、ベース２上でＹ方向に設けられたＹガイドレール４と、このＹガイドレール４に沿って移動可能に設けられたＹスライダ５Ｌと、Ｙスライダ５Ｌと対になってベース２上をＹ方向へ移動するＹスライダ６Ｒとを備えて構成されている。
なお、Ｙガイドレール４とＹスライダ５Ｌ、ベース２とＹスライダ６Ｒとの間にはエアベアリングが設けられているが、説明を省略する。
【００２６】
Ｘ方向駆動機構７は、Ｙスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒに両端を支持された長手状のガイド部材であるＸビーム８と、Ｘビーム８の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動部材であるＸスライダ９と、Ｘスライダ９を移動させるＸスライダ駆動手段１０とを備えて構成されている。
Ｘビーム８は、長柱状であり、両端がＹスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒの上に支持され、Ｙ方向スライド機構３がＹ方向にスライドされると、Ｘビーム８もＹ方向に移動される。
Ｘスライダ９は、Ｘビーム８に沿ってスライド可能に設けられている。Ｘスライダ９とＸビーム８との間にはエアベアリングが設けられているが詳細は省略する。
【００２７】
Ｚ方向駆動機構１１は、図２に示されるように、昇降部材としてのＺ軸スピンドル１２と、このＺ軸スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド手段としてのガイド筒２２と、上端を揺動支持され下端にピストン２９を有しＺ軸スピンドル１２の重心近傍を通るようにＺ軸スピンドル１２に挿通された支持軸２８と、前記Ｚ軸スピンドル１２と支持軸２８との間に設けられた摩擦駆動手段１４と、これらをハウジングするハウジング部３２とを備えて構成されている。
【００２８】
Ｚ軸スピンドル１２は、長角柱状に形成され、ガイド筒２２によって垂直方向にガイドされている。Ｚ軸スピンドル１２の下端には測定対象物に接触し、測定対象物の位置および／または座標を測定するための測定子１３が設けられている。Ｚ軸スピンドル１２の上端にはこのＺ軸スピンドル１２を上下方向に駆動させるための摩擦駆動手段１４が設けられている。
【００２９】
この摩擦駆動手段１４は、支持軸２８を相挟み込む一対のローラである駆動ローラ１５および従動ローラ１６と、駆動ローラ１５を駆動させるモータ１７とを備えて構成されている。駆動ローラ１５と従動ローラ１６は所定の押圧力で支持軸２８を挟み込み、両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる摩擦力で両ローラ１５、１６が支持軸２８に対して空転しない構成となっている。
駆動ローラ１５とモータ１７にはそれぞれ図示しないプーリが設けられ、これらのプーリに掛け渡されたベルト１８を介してモータ１７の動力が駆動ローラ１５に伝達される。
【００３０】
Ｚ軸スピンドル１２の内部には、バランス機構としてのエアバランス機構１９が設けられている。このエアバランス機構１９は、Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０と、支持軸２８のピストン２９とから構成され、シリンダ室２０の一室２０１にエア供給されるようになっている。
Ｚ軸スピンドル１２の重心を通るようにＺ軸スピンドル１２の軸に沿ってシリンダ室２０が設けられている。このシリンダ室２０には支持軸２８の下端に設けられたピストン２９が摺動可能に挿通されている。ピストン２９に区画されたシリンダ室２０のうち、支持軸側の室２０１には、この室２０１にエアを供給する噴気孔２１が設けられている。エアは、シリンダ室２０の支持軸側の室２０１の内圧によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させる程度の圧力でもって供給される。
【００３１】
ガイド筒２２は、筒孔を垂直方向に向けた状態でＸスライダ９に設けられ、Ｚ軸スピンドル１２がこのガイド筒２２に上下方向に昇降可能に挿通されている。
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間にはエアベアリング２３が設けられている。エアベアリング２３は、エアパッド２４がガイド筒２２の筒孔に設けられ、このエアパッド２４からＺ軸スピンドル１２の摺動面にエアが噴気されることによって形成されている。
【００３２】
支持軸２８は、ガイド筒２２に立設された支柱２５に上端を支持されている。支柱２５は、ガイド筒２２から少なくともＺ軸スピンドル１２の移動量以上の高さを有する位置に横梁２６を有し、この横梁２６とＺ軸スピンドル１２の移動軸の交点に孔が設けられている。この孔には支持軸２８が挿通され、この支持軸２８の上端には、支柱２５に対して支持軸２８を揺動可能に支持する支持軸逃げ機構４２が設けられている。また、支持軸２８の下端には前述したようにピストン２９が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２のシリンダ室２０に挿通されている。
【００３３】
支持軸逃げ機構４２は、図３(Ａ)に示されるように、横梁２６に固定された空気軸受手段としてのエアパッド３９と、このエアパッド３９に当接されるスライドパッド３６と、スライドパッド３６と支持軸２８との間に設けられた自動調心玉軸受４１とを備える。
エアパッド３９は、横梁２６に固定されたリング状の支持部材としての軸受部材３７を備え、この軸受部材３７には、スライドパッド３６と当接される面に複数のエア孔４３が軸受部材３７の周囲に略等間隔に形成されている。これらのエア孔４３は、軸受部材３７の内部において環状に合流し、外部のエア配管３８に接続されており、このエア配管３８より圧搾空気を供給することにより、軸受部材３７とスライドパッド３６との間にエア膜が形成されている。
スライドパッド３６は、軸受部材３７の上方に設けられたリング状部材で、支持軸２８に直交し、軸受部材３７に当接される面がスライド可能なスライド面４０となっている。また、スライドパッド３６の内周には、自動調心玉軸受４１の外周が嵌合されている。
自動調心玉軸受４１は、リング状の外輪がスライドパッド３６に嵌合され、内輪が支持軸２８に固定され、これら外輪と内輪との間に複数の玉が設けられているものである。外輪の軌道が球面に形成されており、その曲率中心が支持軸２８の中心と一致しているため、内輪および玉が自動調心玉軸受４１の中心の周りを自由に回転でき、調心性を有する。
【００３４】
ハウジング部３２は、ガイド筒２２から支柱２５を覆うようにＸスライダ９に設けられている。
【００３５】
このような構成からなる三次元測定機１において、測定対象物の位置および／または座標を測定する際には、ベース２上に測定対象物を載置し、Ｙ方向駆動機構３、Ｘ方向駆動機構７を駆動させて測定子１３を移動させ、測定対象物に測定子１３を接触させる。このときの測定子１３の位置を記録することによって、測定対象物の位置および／または座標を測定することができる。
【００３６】
Ｚ方向駆動機構１１を駆動させるときは、モータ１７を回転駆動させて駆動ローラ１５を回転させる。すると、支持軸２８を駆動ローラ１５と従動ローラ１６で挟み込みこんでいるので、この両ローラ１５，１６と支持軸２８との間の摩擦力で駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８に沿って移動される。駆動ローラ１５と従動ローラ１６が移動されると、この両ローラ１５，１６とともにＺ軸スピンドル１２がガイド筒２２にガイドされつつ上下方向に昇降され、測定子１３が移動される。
【００３７】
ガイド筒２２のガイド方向と、支持軸２８の方向とがずれている場合には、図３(Ｂ)に示されるように、Ｚ軸スピンドル１２が移動する際に支持軸２８に直交する方向に力Ｐｍがかかる。スライド面４０に形成されたエア膜は、低摩擦係数を有するので、スライドパッド３６は力Ｐｍを受けて支持軸２８とともにスライド面４０においてスライドし、これにより、支持軸２８にかかる力Ｐｍを低減する。
また、この時、支持軸２８が水平方向に移動したことによって、支持軸２８は垂直方向に対して角度を有することとなる。この場合には、自動調心玉軸受４１の外輪および内輪が玉を介して相対的に傾くことで、支持軸２８とＺ軸スピンドル１２との方向を略一致させ、支持軸２８に生じた角度変動を吸収する。
【００３８】
従って本実施形態によれば次の効果がある。
本実施形態では、支持軸２８の上端に、スライドパッド３６およびエアパッド３９によってスライド面４０にエア膜を形成し、このエア膜を介してスライドパッド３６をスライドさせることによって支持軸２８のずれを除去する。エア膜は低摩擦係数を有し、従来のスラスト玉軸受のようなボールの転がり抵抗がないので、支持軸２８にかかる力Ｐｍをほぼ除去することができ、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度を向上することができる。また、スライドパッド３６およびエアパッド３９は間にボールを有しないので、スライドパッド３６が繰り返しスライドした場合でも、ボールが支持軸２８に当たってしまうというような不都合がない。
【００３９】
スライドパッド３６および支持軸２８の間に自動調心玉軸受４１を設けたので、支持軸２８がスライドパッド３６によってスライドしたことで生じる垂直方向に対しての角度変動を吸収することができ、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度をより一層向上することができる。
【００４０】
Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力は両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる。支持軸２８はＺ軸スピンドル１２の重心位置を通るシリンダ室２０に挿通されているので、Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力の作用も同様に、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置近傍を通る軸線にそって作用する。
従来、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に作用していたため、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置に対しては、ガイド筒２２のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、Ｚ軸スピンドル１２にはガイド方向と交差する力が働き、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本実施形態によれば、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の重心を通る移動軸に沿って作用するので、Ｚ軸スピンドル１２はガイド筒２２に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。その結果、測定子１３の移動の垂直性も確保されるので、三次元測定機１の測定精度が向上される。
【００４１】
Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０のピストン２９で区画された支持軸側の室２０１には、エアが供給され、このエアはＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生するので、両ローラ１５，１６にはＺ軸スピンドル１２の重量がほとんどかからない。よって、両ローラ１５，１６にＺ軸スピンドル１２の重量がかからないのでＺ軸スピンドル１２の移動を精密に制御することができる。また、両ローラ１５，１６の駆動力でＺ軸スピンドル１２の重量を支えなくてもよいので、両ローラ１５，１６の駆動力は小さくてよい。つまり、駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８を挟みこむ力は、支持軸２８と両ローラ１５，１６との間に摩擦力を発生できる程度でよく、また、駆動力の小さなモータ１７を使用することができるので、低コスト化に繋がる。
【００４２】
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２の間にはエアベアリング２３が設けられているので、ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦を低減することができ、Ｚ軸スピンドル１２をなめらかに、かつ、軽い力で移動させることができる。よって、Ｚ軸スピンドル１２の移動を精密に制御でき、三次元測定機１の測定精度を向上させることができる。
【００４３】
支持軸２８はその上端で揺動支持されているので、ガイド筒２２にガイドされたＺ軸スピンドル１２の移動に従って、支持軸２８はその方向を柔軟に変えることができる。よって、支持軸２８はＺ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響を与えず、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性が確保される。その結果、測定子１３の移動の垂直性が確保されるので、三次元測定機１の測定精度が向上される。
【００４４】
また、従来は、Ｚ軸スピンドル１２を駆動させるために、ボールねじのボールねじ軸等を備える必要があったので、そのためのスペースが必要であったが、本実施形態においては、支持軸２８を両ローラ１５、１６で挟むだけなので、Ｚ方向駆動機構１１を小型化することができ、三次元測定機１を小型化することができる。さらには、Ｚ方向駆動機構１１が小型化されることによって、Ｘ方向駆動機構７およびＹ方向駆動機構３の必要強度も小さくできることから、三次元測定機１を小型化、低コスト化することができる。
【００４５】
尚、本発明の昇降部材支持機構は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、本実施形態において、支持軸２８を挟み込むローラは、駆動ローラ１５と従動ローラ１６の二つであるが、ローラは三つ以上設けられていてもよいことはもちろんである。また、モータ１７で駆動されるローラは一つではなく二つ以上でもよい。
本実施形態におけるエアバランス機構１９では、Ｚ軸スピンドル１２にシリンダ室２０が設けられ、支持軸２８にピストン２９が設けられているが、Ｚ軸スピンドル１２にピストン２９が設けられ、支持軸２８にシリンダ室２０が設けられていてもよい。
【００４６】
本実施形態においては、スライドパッド３６は自動調心玉軸受４１を介して支持軸２８に固定されていたが、自動調心玉軸受４１は角度変動を吸収するものであり、必ずしも設けなくても本発明の目的を達成できる。
【００４７】
摩擦駆動手段１４は、支持軸２８に接続されて、支持軸２８とローラ１５，１６との摩擦によって駆動されていたが、これに限らず、図４に示されるようにＺ軸スピンドル１２に平行にボールねじ軸２２１を設け、このボールねじ軸２２１に沿ってＺ軸スピンドル１２が昇降するように構成してもよい。
【００４８】
本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させるバランス機構として、エアバランス機構１９が採用されていたが、これに限らず、油圧など、その他の方法によって押上力を発生させてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、昇降部材支持機構を三次元測定機１に適用した例を示したが、本発明の昇降部材支持機構は三次元測定機１に限られず、種々の用途が考えられる。たとえば、一次元測定機（ハイトゲージ)や二次元測定機（表面粗さ測定機)はもちろん、精密加工を行う各種工作機械等にも適用できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の昇降部材支持機構によれば、昇降部材の移動精度を向上できる昇降部材支持機構を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる昇降部材支持機構を用いた三次元測定機を示す図である。
【図２】前記実施形態において、Ｚ方向駆動機構の断面図である。
【図３】前記実施形態において、昇降部材支持機構の拡大図である。
【図４】従来におけるＺ方向駆動機構を示す図である。
【図５】従来における支持軸の支持機構を示す拡大図である。
【符号の説明】
１ 三次元測定機(測定機)
１１ Ｚ方向駆動機構
１２ Ｚ軸スピンドル（昇降部材)
１３ 測定子
１９ エアバランス機構（バランス機構）
２０ シリンダ室
２２ ガイド筒（ガイド手段)
２８ 支持軸
２９ ピストン
３６ スライドパッド
３９ エアパッド（空気軸受手段）
４０ スライド面
４１ 自動調心玉軸受（調心機構）
４２ 支持軸逃げ機構
２０１ 支持軸側の室
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機に関する。詳しくは、上下方向へ昇降する昇降部材を支持する昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機に関する。
【０００２】
【背景技術】
昇降部材を上下方向へ昇降駆動させるＺ方向駆動機構が知られている。このような昇降部材のＺ方向駆動機構は、例えば、測定対象物の位置および／または座標を測定する三次元測定機などに利用されている。
従来、Ｚ方向駆動機構は、図４に示されるように、下端に測定子１３を有し垂直に支持されたＺ軸スピンドル１２と、このＺ軸スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド部材２２と、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸と平行に設けられたボールねじ軸２２１と、Ｚ軸スピンドル１２に設けられボールねじ軸２２１に螺合するボールねじナット２２２と、ボールねじ軸２２１を回転駆動させる駆動モータ２２３とを備えて構成されている。
【０００３】
ガイド部材２２はガイド筒部２２Ａを有し、このガイド筒部２２ＡにＺ軸スピンドル１２が上下方向移動可能に挿通されている。ガイド筒部２２Ａの内周にはエアベアリング２３が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２との間にエア膜による空気軸受けが形成されることにより、ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦抵抗が低減されている。ガイド部材２２には、垂直上方に向かって立設された支柱２５が設けられている。この支柱２５の上端には、Ｚ軸スピンドル１２の上方を覆うように、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して垂直な横梁２６が形成されている。
ボールねじ軸２２１は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して平行で、かつ、一定の間隔を隔ててガイド部材２２に設けられている。ボールねじ軸２２１の上端は支柱２５の横梁２６に支持され、下端ではベルト２２４によって駆動モータ２２３と連動されている。
【０００４】
Ｚ軸スピンドル１２には、その重心近傍を通るように支持軸２８が挿通されており、この支持軸２８の上端は支柱の横梁２６でスラスト玉軸受３５によって揺動支持されている。スラスト玉軸受３５は、支持軸２８の軸に直交する方向の負荷を吸収するための機構で、図５(Ａ)に示されるように、二つの平板３３Ａ，３３Ｂに挟まれたボール３４を備える。一方の平板３３Ａが支持軸２８に、他方の平板３３Ｂが横梁２６に固定されることにより、これらの間のボール３４を介して支持軸２８と横梁２６とが接続されている。また、この支持軸２８とＺ軸スピンドル１２の間には、Ｚ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させるエアバランス機構が設けられているが、詳しくは省略する。
図４に戻って、ボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に設けらた結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に固定されているとともに、ボールねじ軸２２１に螺合されている。
【０００５】
このような構成において、駆動モータ２２３を回転駆動させると、ボールねじ軸２２１が回転される。すると、ボールねじ軸２２１とボールねじナット２２２との螺合によってボールねじナット２２２がボールねじ軸２２１に沿って移動される。このボールねじナット２２２の駆動力が結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に伝達されるので、Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に駆動される。
ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間は、エアベアリング２３によって摩擦抵抗が低減されており、また、エアバランス機構によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う力でバランスされているので、Ｚ軸スピンドル１２はなめらかに移動することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＺ方向駆動機構には次のような問題があった。
Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に移動する場合、Ｚ軸スピンドル１２はエアベアリング２３によって軌道を拘束されて移動する。この時、ガイド筒部２２Ａのガイド方向と支持軸２８との方向がずれていた場合、図５(Ｂ)に示されるように、支持軸２８には、支持軸２８に直交する方向（水平方向）に力Ｐｍがかかる。この力Ｐｍは、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度に影響を与えるため、支持軸２８の上端に設けられたスラスト玉軸受３５によって力Ｐｍを除去する。つまり、スラスト玉軸受３５に力Ｐｍがかかると、ボール３４が水平方向に転がり、ボール３４の上に配置された平板３３Ａが水平方向にスライドして力Ｐｍを除去する。
【０００７】
ところが、ボール３４と平板３３Ａ，３３Ｂとの間には、ボール３４の転がり抵抗Ｐｆが存在する。したがって、この転がり抵抗Ｐｆによって支持軸２８にかかる負荷を十分に除去することができず、支持軸２８には曲げ応力が発生し、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度に影響を与えるという問題があった。
【０００８】
ところで、Ｚ軸スピンドル１２に駆動力を与えるボールねじ軸２２１およびボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸から距離を隔てて配置されている。ボールねじナット２２２の駆動力は、結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２の外側面に伝達される。その結果、Ｚ軸スピンドル１２の重心に対しては、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸とは交差する方向にトルクが発生するため、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じる。この影響は、Ｚ方向駆動機構を測定機などに用いた場合には測定誤差に繋がる。
【０００９】
そこで、本出願人は、先にＺ方向駆動機構をＺ軸スピンドル１２の内部に備えたものを提案した。これは、Ｚ軸スピンドル１２の上方に支持軸２８を挟み込む一対のローラと、これらのモータを駆動するモータとを設け、モータでローラを回転させることにより支持軸２８とローラとの間の摩擦でＺ軸スピンドル１２を上下移動させるものである。これによれば、Ｚ軸スピンドル１２を駆動する力がＺ軸スピンドル１２の重心近傍に接続された支持軸２８に沿ってかかるので、前述のボールねじ軸２２１の駆動機構によるようなトルクが発生せず、Ｚ軸スピンドル１２の垂直移動性が確保され、移動精度が向上する。
【００１０】
このような構成を有するＺ軸スピンドル１２では、高精度な移動が可能となったため、スラスト玉軸受３５のボール３４の転がり抵抗による精度への影響が無視できなくなるという問題が新たに派生してきた。
また、Ｚ軸スピンドル１２の上下移動が繰り返し行われるうちに、ボール３４の滑りによりボール３４が移動して支持軸２８にあたってしまう可能性もあった。
【００１１】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、昇降部材の移動精度を向上できる昇降部材支持機構を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の昇降部材支持機構は、ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段とを備え、前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、昇降部材が昇降する際に、例えばガイド手段のガイド方向と支持軸との方向がずれていた場合でも、スライドパッドがスライド面でスライドすることにより支持軸にかかる負荷を除去する。スライドパッドは空気軸受手段によって形成されたエア膜を介してスライドするので、スライドパッドと支持部材とが摺動せず、スライド面における摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。したがって、支持軸にかかる曲げ応力を低減でき、昇降部材の移動精度を向上することができる。
また、スライドパッドがスライドして支持軸にかかる負荷を除去すると、支持軸の他端は揺動するが、一端は昇降部材に設けられたバランス機構に接続されているので、支持軸は垂直方向に対して角度を持つこととなる。
本発明では、調心機構により、支持軸の角度変動を調節し、支持軸と昇降部材との軸方向を略一致させるので、支持軸に生じる曲げ応力を最小限に抑えることができ、昇降部材の移動精度をより一層向上することができる。
【００１６】
請求項２に記載の昇降部材支持機構は、ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段と、前記昇降部材に設けられ前記支持軸を相挟み込む少なくとも一対のローラと、前記ローラの少なくとも一つを回転させる回転駆動手段とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成において、回転駆動手段によってローラの少なくとも一つが回転されると、支持軸を挟み込みながらローラが回転される。すると、ローラには支持軸との摩擦力によって上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。ローラは昇降部材に設けられているので、ローラとともに昇降部材には上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。よって、昇降部材がガイド手段によってガイドされつつ上方向もしくは下方向に移動される。
本発明によれば、昇降部材を移動させる力はローラと支持軸との間で生じる。支持軸は昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に配置されているので、昇降部材を移動させる力も同様に、昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に働く。
従来、昇降部材に働く力は、昇降部材の外側面に作用していたため、昇降部材の重心位置に対しては、ガイド手段のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、昇降部材にはガイド方向とは交差する力が働き、昇降部材の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本発明によれば、昇降部材に働く力は、昇降部材の重心を通る移動軸に沿って作用するので、昇降部材はガイド手段に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。
また、このような構成を有する昇降部材では、昇降部材の移動の垂直性が確保されることで、昇降部材の移動精度が向上する。したがって、従来一般的に使用されていたスラスト玉軸受による昇降部材支持機構では、ボールの転がり抵抗による精度への影響を無視できなくなる。本発明によれば、支持軸にかかる負荷は、低摩擦係数を有するエア膜を介してスライドパッドがスライドすることで除去されるので、移動精度への影響を最小限に抑えることができる。
【００１８】
請求項３に記載の昇降部材支持機構は、請求項２に記載の昇降部材支持機構において、前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられていることを特徴とする。
このような構成において、スライドパッドがスライドして支持軸にかかる負荷を除去すると、支持軸の他端は揺動するが、一端は昇降部材に設けられたバランス機構に接続されているので、支持軸は垂直方向に対して角度を持つこととなる。
本発明では、調心機構により、支持軸の角度変動を調節し、支持軸と昇降部材との軸方向を略一致させるので、支持軸に生じる曲げ応力を最小限に抑えることができ、昇降部材の移動精度をより一層向上することができる。
請求項４に記載の昇降部材支持機構は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、前記バランス機構は、エアによって前記押上力を発生させるエアバランス機構であり、前記エアバランス機構は、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか一方に設けられたピストンと、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか他方に設けられ、かつ、内部に前記ピストンを収納して、そのピストンに対して上下方向へ相対往復運動可能なシリンダ室とを備え、前記シリンダ室の前記ピストンで区画された室にエアを送り込むことにより、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生することを特徴とする。
【００１９】
このような構成によれば、シリンダ室のエアを送り込まれた室とエアを送り込まれなかった室との間に内圧の差が生じ、この内圧の差からピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力が生じる。ピストンとシリンダは互いに摺動可能であるが、支持軸は垂直方向には移動されないので、ピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力は、実質的に昇降部材に作用する。ピストンで区画されたシリンダ室のうち、エアを送り込む室を適宜選択することによって、昇降部材を重力に抗して押し上げる方向に力を作用させることができる。このように、昇降部材に押上げる力を作用させ、その重量に見合う押上力で押し上げると、昇降部材を昇降させる駆動機構には昇降部材の重量がかからないこととなる。例えば、支持軸に一対のローラとローラを回転させる回転駆動手段とを設けてローラを支持軸に対して回転させることで昇降部材を駆動する機構では、昇降部材の重量はローラにかからないこととなる。よって、ローラで支持軸を相挟み込んで、ローラと支持軸の摩擦力で昇降部材を上下に移動させる際に、ローラに昇降部材の重量による負荷がかからないので、ローラの駆動力で昇降部材の移動を精密に制御することができる。さらに、ローラの駆動力で昇降部材の重量を支える必要はないので、ローラの駆動力は小さい力でよく、動力の小さな回転駆動手段を用いることができるので、低コスト化に繋がる。
【００２０】
請求項５に記載の昇降部材支持機構は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、前記ガイド手段は、前記昇降部材を取り囲んで垂直方向にガイドするガイド筒と、前記ガイド筒と前記昇降部材との間に設けられたエアベアリング機構とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成によれば、ガイド手段のガイド筒によって、昇降部材は垂直方向にガイドされるので、昇降部材の移動の垂直性が確保される。ガイド筒と昇降部材との間にはエアベアリング機構が設けられているので、ガイド筒と昇降部材との間の摩擦を低減することができ、昇降部材をなめらかに、且つ、軽い力で移動させることができる。
【００２２】
請求項６に記載の測定機は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の昇降部材支持機構を用いて、測定対象物の位置および/または座標を測定するための測定子を移動させる移動機構を構成していることを特徴とする。
【００２３】
このような構成によれば、請求項１〜５に記載の発明の効果を利用した測定機を構成することができるので、測定子の移動の垂直性を確保できる測定機とすることができる。その結果、この測定機を用いた測定の測定精度を向上させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる昇降部材支持機構およびこれを用いた測定機の実施の形態を図示例と共に説明する。
図１は、本発明にかかる昇降部材支持機構を測定機としての三次元測定機１に用いた一実施形態である。
この三次元測定機１は、測定対象物を載置するベース２と、測定子１３を移動させる移動機構を備えて構成されており、この移動機構として、測定子１３をＹ方向へ移動させるＹ方向駆動機構３と、測定子１３をＸ方向へ移動させるＸ方向駆動機構７と、測定子１３をＺ方向へ移動させるＺ方向駆動機構１１を備えている。
【００２５】
ベース２は測定対象物を載置するために精密平坦加工された上面を備える四角柱状である。説明のために、ベース２の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、ベース２の上面に垂直な方向をＺ方向とする。
Ｙ方向駆動機構３は、ベース２上でＹ方向に設けられたＹガイドレール４と、このＹガイドレール４に沿って移動可能に設けられたＹスライダ５Ｌと、Ｙスライダ５Ｌと対になってベース２上をＹ方向へ移動するＹスライダ６Ｒとを備えて構成されている。
なお、Ｙガイドレール４とＹスライダ５Ｌ、ベース２とＹスライダ６Ｒとの間にはエアベアリングが設けられているが、説明を省略する。
【００２６】
Ｘ方向駆動機構７は、Ｙスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒに両端を支持された長手状のガイド部材であるＸビーム８と、Ｘビーム８の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動部材であるＸスライダ９と、Ｘスライダ９を移動させるＸスライダ駆動手段１０とを備えて構成されている。
Ｘビーム８は、長柱状であり、両端がＹスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒの上に支持され、Ｙ方向スライド機構３がＹ方向にスライドされると、Ｘビーム８もＹ方向に移動される。
Ｘスライダ９は、Ｘビーム８に沿ってスライド可能に設けられている。Ｘスライダ９とＸビーム８との間にはエアベアリングが設けられているが詳細は省略する。
【００２７】
Ｚ方向駆動機構１１は、図２に示されるように、昇降部材としてのＺ軸スピンドル１２と、このＺ軸スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド手段としてのガイド筒２２と、上端を揺動支持され下端にピストン２９を有しＺ軸スピンドル１２の重心近傍を通るようにＺ軸スピンドル１２に挿通された支持軸２８と、前記Ｚ軸スピンドル１２と支持軸２８との間に設けられた摩擦駆動手段１４と、これらをハウジングするハウジング部３２とを備えて構成されている。
【００２８】
Ｚ軸スピンドル１２は、長角柱状に形成され、ガイド筒２２によって垂直方向にガイドされている。Ｚ軸スピンドル１２の下端には測定対象物に接触し、測定対象物の位置および／または座標を測定するための測定子１３が設けられている。Ｚ軸スピンドル１２の上端にはこのＺ軸スピンドル１２を上下方向に駆動させるための摩擦駆動手段１４が設けられている。
【００２９】
この摩擦駆動手段１４は、支持軸２８を相挟み込む一対のローラである駆動ローラ１５および従動ローラ１６と、駆動ローラ１５を駆動させるモータ１７とを備えて構成されている。駆動ローラ１５と従動ローラ１６は所定の押圧力で支持軸２８を挟み込み、両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる摩擦力で両ローラ１５、１６が支持軸２８に対して空転しない構成となっている。
駆動ローラ１５とモータ１７にはそれぞれ図示しないプーリが設けられ、これらのプーリに掛け渡されたベルト１８を介してモータ１７の動力が駆動ローラ１５に伝達される。
【００３０】
Ｚ軸スピンドル１２の内部には、バランス機構としてのエアバランス機構１９が設けられている。このエアバランス機構１９は、Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０と、支持軸２８のピストン２９とから構成され、シリンダ室２０の一室２０１にエア供給されるようになっている。
Ｚ軸スピンドル１２の重心を通るようにＺ軸スピンドル１２の軸に沿ってシリンダ室２０が設けられている。このシリンダ室２０には支持軸２８の下端に設けられたピストン２９が摺動可能に挿通されている。ピストン２９に区画されたシリンダ室２０のうち、支持軸側の室２０１には、この室２０１にエアを供給する噴気孔２１が設けられている。エアは、シリンダ室２０の支持軸側の室２０１の内圧によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させる程度の圧力でもって供給される。
【００３１】
ガイド筒２２は、筒孔を垂直方向に向けた状態でＸスライダ９に設けられ、Ｚ軸スピンドル１２がこのガイド筒２２に上下方向に昇降可能に挿通されている。
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間にはエアベアリング２３が設けられている。エアベアリング２３は、エアパッド２４がガイド筒２２の筒孔に設けられ、このエアパッド２４からＺ軸スピンドル１２の摺動面にエアが噴気されることによって形成されている。
【００３２】
支持軸２８は、ガイド筒２２に立設された支柱２５に上端を支持されている。支柱２５は、ガイド筒２２から少なくともＺ軸スピンドル１２の移動量以上の高さを有する位置に横梁２６を有し、この横梁２６とＺ軸スピンドル１２の移動軸の交点に孔が設けられている。この孔には支持軸２８が挿通され、この支持軸２８の上端には、支柱２５に対して支持軸２８を揺動可能に支持する支持軸逃げ機構４２が設けられている。また、支持軸２８の下端には前述したようにピストン２９が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２のシリンダ室２０に挿通されている。
【００３３】
支持軸逃げ機構４２は、図３(Ａ)に示されるように、横梁２６に固定された空気軸受手段としてのエアパッド３９と、このエアパッド３９に当接されるスライドパッド３６と、スライドパッド３６と支持軸２８との間に設けられた自動調心玉軸受４１とを備える。
エアパッド３９は、横梁２６に固定されたリング状の支持部材としての軸受部材３７を備え、この軸受部材３７には、スライドパッド３６と当接される面に複数のエア孔４３が軸受部材３７の周囲に略等間隔に形成されている。これらのエア孔４３は、軸受部材３７の内部において環状に合流し、外部のエア配管３８に接続されており、このエア配管３８より圧搾空気を供給することにより、軸受部材３７とスライドパッド３６との間にエア膜が形成されている。
スライドパッド３６は、軸受部材３７の上方に設けられたリング状部材で、支持軸２８に直交し、軸受部材３７に当接される面がスライド可能なスライド面４０となっている。また、スライドパッド３６の内周には、自動調心玉軸受４１の外周が嵌合されている。
自動調心玉軸受４１は、リング状の外輪がスライドパッド３６に嵌合され、内輪が支持軸２８に固定され、これら外輪と内輪との間に複数の玉が設けられているものである。外輪の軌道が球面に形成されており、その曲率中心が支持軸２８の中心と一致しているため、内輪および玉が自動調心玉軸受４１の中心の周りを自由に回転でき、調心性を有する。
【００３４】
ハウジング部３２は、ガイド筒２２から支柱２５を覆うようにＸスライダ９に設けられている。
【００３５】
このような構成からなる三次元測定機１において、測定対象物の位置および／または座標を測定する際には、ベース２上に測定対象物を載置し、Ｙ方向駆動機構３、Ｘ方向駆動機構７を駆動させて測定子１３を移動させ、測定対象物に測定子１３を接触させる。このときの測定子１３の位置を記録することによって、測定対象物の位置および／または座標を測定することができる。
【００３６】
Ｚ方向駆動機構１１を駆動させるときは、モータ１７を回転駆動させて駆動ローラ１５を回転させる。すると、支持軸２８を駆動ローラ１５と従動ローラ１６で挟み込みこんでいるので、この両ローラ１５，１６と支持軸２８との間の摩擦力で駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８に沿って移動される。駆動ローラ１５と従動ローラ１６が移動されると、この両ローラ１５，１６とともにＺ軸スピンドル１２がガイド筒２２にガイドされつつ上下方向に昇降され、測定子１３が移動される。
【００３７】
ガイド筒２２のガイド方向と、支持軸２８の方向とがずれている場合には、図３(Ｂ)に示されるように、Ｚ軸スピンドル１２が移動する際に支持軸２８に直交する方向に力Ｐｍがかかる。スライド面４０に形成されたエア膜は、低摩擦係数を有するので、スライドパッド３６は力Ｐｍを受けて支持軸２８とともにスライド面４０においてスライドし、これにより、支持軸２８にかかる力Ｐｍを低減する。
また、この時、支持軸２８が水平方向に移動したことによって、支持軸２８は垂直方向に対して角度を有することとなる。この場合には、自動調心玉軸受４１の外輪および内輪が玉を介して相対的に傾くことで、支持軸２８とＺ軸スピンドル１２との方向を略一致させ、支持軸２８に生じた角度変動を吸収する。
【００３８】
従って本実施形態によれば次の効果がある。
本実施形態では、支持軸２８の上端に、スライドパッド３６およびエアパッド３９によってスライド面４０にエア膜を形成し、このエア膜を介してスライドパッド３６をスライドさせることによって支持軸２８のずれを除去する。エア膜は低摩擦係数を有し、従来のスラスト玉軸受のようなボールの転がり抵抗がないので、支持軸２８にかかる力Ｐｍをほぼ除去することができ、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度を向上することができる。また、スライドパッド３６およびエアパッド３９は間にボールを有しないので、スライドパッド３６が繰り返しスライドした場合でも、ボールが支持軸２８に当たってしまうというような不都合がない。
【００３９】
スライドパッド３６および支持軸２８の間に自動調心玉軸受４１を設けたので、支持軸２８がスライドパッド３６によってスライドしたことで生じる垂直方向に対しての角度変動を吸収することができ、Ｚ軸スピンドル１２の移動精度をより一層向上することができる。
【００４０】
Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力は両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる。支持軸２８はＺ軸スピンドル１２の重心位置を通るシリンダ室２０に挿通されているので、Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力の作用も同様に、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置近傍を通る軸線にそって作用する。
従来、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に作用していたため、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置に対しては、ガイド筒２２のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、Ｚ軸スピンドル１２にはガイド方向と交差する力が働き、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本実施形態によれば、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の重心を通る移動軸に沿って作用するので、Ｚ軸スピンドル１２はガイド筒２２に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。その結果、測定子１３の移動の垂直性も確保されるので、三次元測定機１の測定精度が向上される。
【００４１】
Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０のピストン２９で区画された支持軸側の室２０１には、エアが供給され、このエアはＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生するので、両ローラ１５，１６にはＺ軸スピンドル１２の重量がほとんどかからない。よって、両ローラ１５，１６にＺ軸スピンドル１２の重量がかからないのでＺ軸スピンドル１２の移動を精密に制御することができる。また、両ローラ１５，１６の駆動力でＺ軸スピンドル１２の重量を支えなくてもよいので、両ローラ１５，１６の駆動力は小さくてよい。つまり、駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８を挟みこむ力は、支持軸２８と両ローラ１５，１６との間に摩擦力を発生できる程度でよく、また、駆動力の小さなモータ１７を使用することができるので、低コスト化に繋がる。
【００４２】
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２の間にはエアベアリング２３が設けられているので、ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦を低減することができ、Ｚ軸スピンドル１２をなめらかに、かつ、軽い力で移動させることができる。よって、Ｚ軸スピンドル１２の移動を精密に制御でき、三次元測定機１の測定精度を向上させることができる。
【００４３】
支持軸２８はその上端で揺動支持されているので、ガイド筒２２にガイドされたＺ軸スピンドル１２の移動に従って、支持軸２８はその方向を柔軟に変えることができる。よって、支持軸２８はＺ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響を与えず、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性が確保される。その結果、測定子１３の移動の垂直性が確保されるので、三次元測定機１の測定精度が向上される。
【００４４】
また、従来は、Ｚ軸スピンドル１２を駆動させるために、ボールねじのボールねじ軸等を備える必要があったので、そのためのスペースが必要であったが、本実施形態においては、支持軸２８を両ローラ１５、１６で挟むだけなので、Ｚ方向駆動機構１１を小型化することができ、三次元測定機１を小型化することができる。さらには、Ｚ方向駆動機構１１が小型化されることによって、Ｘ方向駆動機構７およびＹ方向駆動機構３の必要強度も小さくできることから、三次元測定機１を小型化、低コスト化することができる。
【００４５】
尚、本発明の昇降部材支持機構は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、本実施形態において、支持軸２８を挟み込むローラは、駆動ローラ１５と従動ローラ１６の二つであるが、ローラは三つ以上設けられていてもよいことはもちろんである。また、モータ１７で駆動されるローラは一つではなく二つ以上でもよい。
本実施形態におけるエアバランス機構１９では、Ｚ軸スピンドル１２にシリンダ室２０が設けられ、支持軸２８にピストン２９が設けられているが、Ｚ軸スピンドル１２にピストン２９が設けられ、支持軸２８にシリンダ室２０が設けられていてもよい。
【００４６】
本実施形態においては、スライドパッド３６は自動調心玉軸受４１を介して支持軸２８に固定されていたが、自動調心玉軸受４１は角度変動を吸収するものであり、必ずしも設けなくても本発明の目的を達成できる。
【００４７】
摩擦駆動手段１４は、支持軸２８に接続されて、支持軸２８とローラ１５，１６との摩擦によって駆動されていたが、これに限らず、図４に示されるようにＺ軸スピンドル１２に平行にボールねじ軸２２１を設け、このボールねじ軸２２１に沿ってＺ軸スピンドル１２が昇降するように構成してもよい。
【００４８】
本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させるバランス機構として、エアバランス機構１９が採用されていたが、これに限らず、油圧など、その他の方法によって押上力を発生させてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、昇降部材支持機構を三次元測定機１に適用した例を示したが、本発明の昇降部材支持機構は三次元測定機１に限られず、種々の用途が考えられる。たとえば、一次元測定機（ハイトゲージ)や二次元測定機（表面粗さ測定機)はもちろん、精密加工を行う各種工作機械等にも適用できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の昇降部材支持機構によれば、昇降部材の移動精度を向上できる昇降部材支持機構を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる昇降部材支持機構を用いた三次元測定機を示す図である。
【図２】前記実施形態において、Ｚ方向駆動機構の断面図である。
【図３】前記実施形態において、昇降部材支持機構の拡大図である。
【図４】従来におけるＺ方向駆動機構を示す図である。
【図５】従来における支持軸の支持機構を示す拡大図である。
【符号の説明】
１ 三次元測定機(測定機)
１１ Ｚ方向駆動機構
１２ Ｚ軸スピンドル（昇降部材)
１３ 測定子
１９ エアバランス機構（バランス機構）
２０ シリンダ室
２２ ガイド筒（ガイド手段)
２８ 支持軸
２９ ピストン
３６ スライドパッド
３９ エアパッド（空気軸受手段）
４０ スライド面
４１ 自動調心玉軸受（調心機構）
４２ 支持軸逃げ機構
２０１ 支持軸側の室
Claims (6)
- ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、
前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、
この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、
前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、
このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、
前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段とを備え、
前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられている
ことを特徴とする昇降部材支持機構。 - ガイド手段によってガイドされた昇降部材を支持する昇降部材支持機構であって、
前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、
この支持軸の下端と前記昇降部材との間に形成され、支持軸方向への昇降部材の昇降を許容しつつ、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するバランス機構と、
前記支持軸の上端側に固定され、下端面に前記支持軸に直交するスライド面を有するスライドパッドと、
このスライドパッドのスライド面と対向する位置に設けられた支持部材と、
前記スライドパッドの前記スライド面と前記支持部材との間にエア膜を形成する空気軸受手段と、
前記昇降部材に設けられ前記支持軸を相挟み込む少なくとも一対のローラと、
前記ローラの少なくとも一つを回転させる回転駆動手段とを備えている
ことを特徴とする昇降部材支持機構。 - 請求項２に記載の昇降部材支持機構において、
前記支持軸と前記スライドパッドとの間には、前記支持軸が揺動した際に生じる垂直方向に対する角度変動を吸収する調心機構が設けられている
ことを特徴とする昇降部材支持機構。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、
前記バランス機構は、エアによって前記押上力を発生させるエアバランス機構であり、
前記エアバランス機構は、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか一方に設けられたピストンと、
前記支持軸および前記昇降部材のいずれか他方に設けられ、かつ、内部に前記ピストンを収納して、そのピストンに対して上下方向へ相対往復運動可能なシリンダ室とを備え、
前記シリンダ室の前記ピストンで区画された室にエアを送り込むことにより、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生する
ことを特徴とする昇降部材支持機構。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の昇降部材支持機構において、
前記ガイド手段は、前記昇降部材を取り囲んで垂直方向にガイドするガイド筒と、
前記ガイド筒と前記昇降部材との間に設けられたエアベアリング機構とを備えている
ことを特徴とする昇降部材支持機構。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の昇降部材支持機構を用いて、測定対象物の位置および/または座標を測定するための測定子を移動させる移動機構を構成している
ことを特徴とする測定機。
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