JP5079608B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念にもとづく測長装置に関する。

例えば、特許文献１に記載されている、そのような測長装置は、長さ及び経路を測定する役割を果たし、特に、工作機械では、座標測定器を用いて、工作する加工物に対する工具の相対的な動きを測定する役割を果たしており、半導体産業でも益々用いられてきている。

その場合測定方向に沿って延びた筐体内に格納され、周囲環境による影響から保護された形の測定目盛を備えた基準尺が、測定尺として使用されている。簡単かつ安価に製造するために、筐体は非磁性材料、特に、アルミニウムから成る押出成形品となっている。位置測定時には、スキャナカートリッジが、増分又は絶対符号化された測定目盛を走査している。そのために、スキャナカートリッジは、基準尺の互いに垂直に延びる二つの案内面上を測定方向に沿って移送されるとともに、それらの面に押し付けられている。そのような移送方法は、測定すべき全長に渡って、スキャナカートリッジ、特に、その走査面と基準尺との間の走査間隔が一定に保たれることを保証しているので、それによって走査信号の良好な品質が保証されることが分かっている。測定する物体とスキャナカートリッジとの間に、スキャナカートリッジとタペットとを測定方向に対して強固に連結するとともに、測定方向と垂直な方向に対して撓やかに連結するカップラーを備えたタペットを配備することによって、スキャナカートリッジの移送と測定する物体の移送とを分離している。スキャナカートリッジの押圧、即ち、基準尺の互いに垂直な二つの案内面を押す力の生成は、従来技術ではスプリングピン（特許文献２参照）又は各案内面に対して専用のばねを配備し、その押す力が各案内面の方向を向くようにした複数の押えばね（特許文献１参照）によって行われている。これらの互いに垂直な方向を向いたばねは、通常スキャナカートリッジとタペットの間に配置されており、そのことによって、スキャナカートリッジとタペットとの間の間隔が押す力に影響を与えてしまっている。従って、組立誤差を特に小さく選定しなければならなくなっている。

測長装置に対する要件は、常に高くなってきており、分解能と精度の向上及び位置測定の再現性を絶えず要求されている。その場合機械的な構造をコンパクトにするとともに、測長装置を安価に製造することが可能であることが求められている。
ドイツ特許第２８１０３４１号明細書 ドイツ特許公開第２３４９９４４号明細書 欧州特許第０７３３８８２号明細書

本発明の課題は、より高い測定精度を持ち、安価に製造可能な測長装置を実現することである。

この課題は、本発明による請求項１の特徴によって解決される。

前記の要件は、基準尺を格納して保護した形の筐体に入った測長装置を要求している。高い分解能とするには、常に走査間隔を小さく、かつ測定する全長に渡って一定とする必要がある。それは、基準尺上をスキャナカートリッジを移送することによって達成され、妨害されること無く精確にスキャナカートリッジを移送するために、測定方向に対してのみ強固なスキャナカートリッジとのカップラーによって、スキャナカートリッジとタペットとを連結している。そのようなカップラーによって、測定方向以外の全方向に対して、測定方向へのスキャナカートリッジの精確な移送及び動きに影響を与えないタペットの動きが可能となっている。スキャナカートリッジは、基準尺の互いに垂直に延びる二つの案内面上を精確に直線的に移送されるとともに、案内面に押し付けられることとなり、この場合スキャナカートリッジの少なくとも一つの第一の構成要素と非磁性体の筐体上に配備された第二の構成要素との間の磁気力によって、押す力を発生させている。

本発明によって、測長装置のコンパクトな構造が可能となり、高い測定精度と再現可能な位置測定も実現することが可能である。

本発明により実現された測長装置では、スキャナカートリッジが基準尺に加える押す力は、組立状態には依存しない。即ち、スキャナカートリッジとタペットとの間の間隔は、押す力に影響を与えない。

このようにして基準尺上をスキャナカートリッジを移送することは、基準尺の表面が測定目盛の推移に対して確定した方向を向くこととなるので、測定目盛に対して精確に平行に移送することを保証するものである。

従属請求項には、本発明の有利な実施形態が提示されている。

実施例を用いて、本発明を詳しく説明する。

測定方向Ｘに対して互いにスライド可能な二つの物体１と２の相対位置を測定する光学式測長装置を例として、本発明を図示している。この場合、基準尺２０に対して相対的に測定方向Ｘに移動可能なスキャナカートリッジ１０が、特に、ガラスから成る透明な基準尺２０を走査する。基準尺２０は、スキャナカートリッジ１０によって透過光で走査される測定目盛２１を備えている。そのために、スキャナカートリッジ１０は、光ビームを照射する照明ユニット１１を有し、その光ビームは、基準尺２０を通過して、最終的にスキャナカートリッジ１０の受光用走査センサー１２上に当たる。この場合、光ビームは、基準尺２０上の測定目盛２１の位置に依存して変調される。

基準尺２０は、筐体２２内に配置されており、筐体は、更に測定する物体２、例えば、工作機械の工作台と固定されている。この場合、基準尺２０は、周知の手法で、例えば、接着又は挟み込みによって、筐体２２と接続されている。筐体２２は、その長手方向、即ち、測定方向Ｘに延びる、屋根形状に傾斜したシールリップよって閉鎖されたスリットを有し、そのスリットを通して、タペット１３が剣形状の中心部材と嵌合している。タペット１３は、工作台２に対して相対的にスライド可能な物体１、例えば、工作機械のスライダーと固定することが可能な取付領域１３１を有する。

スキャナカートリッジ１０とタペット１３との間には、スキャナカートリッジ１０とタペット１３とを測定方向Ｘに対して強固に連結するとともに、測定方向と垂直な方向に対して撓やかに連結するカップラー１４が配置されている。この措置によって、タペット１３の誤った方向付けがスキャナカートリッジ１０に伝わらなくなる。カップラー１４は、模式的にしか図示されていない。そのようなカップラーは、例えば、特許文献３による周知の手法にもとづき、強磁性材料から成るボールが、磁気力によって、タペット１３の測定方向に対して垂直に延びる面とスキャナカートリッジ１０の測定方向に対して垂直に延びる面との間に挟まれた形で保持された玉継手として構成される。

スキャナカートリッジ１０は、基準尺２０に沿って精確に平行に移送するために、基準尺上を動かされる。そのために、スキャナカートリッジ１０は、案内部材１５１〜１５５を介して、基準尺２０の互いに垂直な方向を向いた二つの面２０１，２０２上で支持されている。これらの中の一方の面は、測定目盛２１を支持する面２０１であり、他方の面は、基準尺２０のそれと垂直に延びる短辺側２０２である。案内部材は、滑り部材、特に、ボールベアリング式のプラテン又はローラー１５１〜１５５とすることができる。

スキャナカートリッジ１０は、磁気部材１６１，２６１及び１６２，２６２と基準尺２０の面２０１，２０２との相互作用によって押し付けられている。この押す力は、スキャナカートリッジ１０の少なくとも一つの第一の構成要素１６１，１６２と筐体２２上に配備された少なくとも一つの第二の構成要素２６１，２６２との間の磁気力によって生じている。磁気材料との用語は、強磁性又は常磁性の材料を意味するものとする。特に、第一の構成要素は、永久磁石１６１，１６２であり、第二の構成要素２６１，２６２は、筐体２２上に取り付けられた強磁性材料から成る部材である。永久磁石１６１，１６２は、特に、ＮｄＦｅＢから構成される。

筐体２２は、非磁性材料から製作され、特に、アルミニウムから成る押出成形品である。その利点は、成形品２２上に、例えば、測定する物体２との取付、基準尺２０の設置又は収容、或いはシールリップの収容のための多彩な機能部材を追加コスト無しに成形することが可能なことである。本発明では、ベルト２６１，２６２を嵌め込むための溝２３１，２３２を筐体２２内に成形する際に、この能力を利用している。ベルト２６１，２６２は、フェライト鋼から構成される。

スキャナカートリッジ１０は、案内部材、特に、複数のボールベアリング式ローラー１５１，１５２，１５３によって、面２０１上で支持されている。この面２０１に対してスキャナカートリッジ１０を押す力Ｆｚは、この面２０１に対して垂直な方向を向いており、スキャナカートリッジ１０内に固定された磁石１６１と溝２３１内に差し込まれたスチールベルト２６１との相互作用によって生じている。スチールベルト２６１は、面２０１に対して平行に測定方向Ｘに延びるとともに、磁石１６１と対向しており、詳しくは、約０．８ｍｍの間隔が開いている。押す力Ｆｚは、約２．３Ｎである。

前記の方向と垂直な方向に対して、スキャナカートリッジ１０は、案内部材、特に、複数のボールベアリング式ローラー１５４と１５５によって、面２０２上で支持されている。この面２０２に対してスキャナカートリッジ１０を押す力Ｆｙは、この面２０２に対して垂直な方向を向いており、スキャナカートリッジ１０内に固定された磁石１６２と溝２３２内に差し込まれたスチールベルト２６２との相互作用によって生じている。スチールベルト２６２は、面２０２に対して平行に測定方向Ｘに延びるとともに、磁石１６２と対向しており、詳しくは、約０．８ｍｍの間隔が開いている。押す力Ｆｙは、約１．８Ｎである。

両方のローラー１５４と１５５は、磁石１６２に対して対称的に配置されるとともに、両方のローラー１５１と１５３は、磁石１６１に対して対称的に配置されており、ローラー１５２は、磁石１６１のＸ方向の位置に対して配置されており、それは、図１に図示された断面位置と一致する。ローラー１５１〜１５５の三次元的な位置と磁気力によって生じる押す力Ｆｙ及びＦｚは、個々のローラー１５１と１５５に加わる力が少なくともほぼ同等となる、例えば、約０．８Ｎとなるように設計される。更に、磁気力によって生じる押す力Ｆｙ，Ｆｚは、それらを合成して得られる力Ｆｒが少なくともほぼスキャナカートリッジ１０の重心Ｓを通るような方向と大きさに設計される。

磁石１６１，１６２の大きさ及び強さ、並びにそれらに対応するスチールベルト２６１，２６２との間隔は、間隔が変化しても、磁気力が出来る限り小さく変化するように選定される。即ち、この間隔は、磁気力と間隔の特性曲線の出来る限り平坦な領域内に設定される。

磁石１６１，１６２の保持は、特に有利には、スキャナカートリッジ１０のポケット形状の収容部１７内で行われる。図１の断面図で磁石１６２を例として図示されている通り、収容部１７は、磁石１６２を収容部１７内に差し込んで、磁石１６２を繋止するように構成される。磁石１６２は、差し込まれた状態では、付勢力を加える舌状体１８の突起１８１によって保持される。即ち、磁石１６２は、収容部１７内に繋止される。

ここで詳しく説明した例において、スキャナカートリッジ１０の第一の構成要素は、少なくとも一つの永久磁石１６１，１６２であり、詳しくは、押す力Ｆｚに関しては永久磁石１６１であり、押す力Ｆｙに関しては永久磁石１６２である。第二の構成要素は、溝２３１，２３２内に嵌め込まれたスチールベルト２６１と２６２である。それに代わって、スチールベルト２６１，２６２を筐体２２の内側に貼り付けることもできる。別の変化形態は、スチールベルト２６１，２６２を磁気ベルト、即ち、筐体の溝内に嵌め込むか、或いは筐体に貼り付けて、スキャナカートリッジの永久磁石又は強磁性部材との間で必要な押す力を生じさせるベルト状の永久磁石に置き換えることである。

本発明は、光学走査方式に限定されるものではない。基準尺の走査は、容量式、磁気式又は誘導式とすることができ、そのような場合、測定目盛及び走査センサーを各方式に対応して構成すべきである。

本発明による測長装置の測定方向に対して垂直な部分断面図 図１による測長装置の筐体の一部を示すスキャナカートリッジの斜視図

符号の説明

１ 物体
２ 物体
１０ スキャナカートリッジ
１１ 照明ユニット
１２ 光電式走査センサー
１３ タペット
１３１ 取付領域
１４ カップラー
１５１〜１５５ ローラー
１６１，１６２ 永久磁石
１７ 収容部
１８ 舌状体
１８１ 舌状体１８の突起
２０ 基準尺
２０１ 基準尺２０の面
２１ 測定目盛
２２ 筐体
２３１，２３２ 溝
２６１，２６２ スチールベルト
Ｆｙ 押す力
Ｆｚ 押す力
Ｆｒ 力
Ｓ 重心
Ｘ，Ｙ，Ｚ 方向

Claims (12)

1. 二つの物体（１，２）の相対位置を測定するための測長装置であって、
   測定方向（Ｘ）に沿って延びる、非磁性材料から成る筐体（２２）と、
   筐体（２２）内の基準尺（２０）と、
   基準尺（２０）の測定目盛（２１）を走査するためのスキャナカートリッジ（１０）と、
   が配備されており、スキャナカートリッジ（１０）と二つの物体の中の一方の物体（１）と固定されたタペット（１３）とが、測定方向（Ｘ）に対して強固に連結されるとともに、測定方向（Ｘ）と垂直な方向に対して撓やかに連結されており、スキャナカートリッジ（１０）が、基準尺（２０）の互いに垂直に延びる二つの案内面（２０１，２０２）上を測定方向（Ｘ）に沿って移送されるとともに、それらの案内面に押し付けられる測長装置において、
   上記の押す力（Ｆｚ，Ｆｙ）が、スキャナカートリッジ（１０）の少なくとも一つの第一の構成要素（１６１，１６２）と非磁性体の筐体（２２）上に配備された第二の構成要素（２６１，２６２）との間の磁気力によって生じることを特徴とする測長装置。
2. 当該の第二の構成要素が、磁性材料から成る少なくとも一つのベルト（２６１，２６２）であることを特徴とする請求項１に記載の測長装置。
3. ベルト（２６１，２６２）を嵌め込むための少なくとも一つの溝（２３１，２３２）が、筐体（２２）上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の測長装置。
4. 筐体（２２）は、少なくとも一つの溝（２３１，２３２）が成形された、アルミニウムから成る押出成形品であることを特徴とする請求項３に記載の測長装置。
5. 各ベルト（２６１，２６２）が、二つの案内面（２０１，２０２）の中の一つと平行に延びることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載の測長装置。
6. 当該のベルトが、それぞれスチールベルト（２６１，２６２）であることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一つに記載の測長装置。
7. スキャナカートリッジ（１０）は、複数の案内部材（１５１〜１５５）を介して、基準尺（２０）の各案内面（２０１，２０２）上を移送されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の測長装置。
8. 当該の磁気力は、少なくともほぼ同等の押す力が各案内部材（１５１〜１５５）に加わるように選定されることを特徴とする請求項７に記載の測長装置。
9. 当該の少なくとも一つの第一の構成要素が、永久磁石（１６１，１６２）であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の測長装置。
10. 永久磁石（１６１，１６２）を差し込んで繋止することが可能な永久磁石（１６１，１６２）用収容部（１７）が、スキャナカートリッジ（１０）内に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の測長装置。
11. 永久磁石（１６１，１６２）を繋止するための収容部（１７）が、突起（１８１）を持った、付勢力を加える舌状体（１８）を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の測長装置。
12. 第一のスチールベルト（２６１）が、基準尺（２０）の第一の案内面（２０１）に対して平行に筐体（２０）の溝（２３１）内に嵌め込まれており、このスチールベルト（２６１）が、スキャナカートリッジ（１０）の第一の永久磁石（１６１）と対向して、第一の案内面（２０１）に対して垂直にスキャナカートリッジ（１０）を押す力としての磁気力（Ｆｚ）を生じさせることと、
    第二のスチールベルト（２６２）が、基準尺（２０）の第二の案内面（２０２）に対して平行に筐体（２０）の溝（２３２）内に嵌め込まれており、このスチールベルト（２６２）が、スキャナカートリッジ（１０）の第二の永久磁石（１６２）と対向して、第二の案内面（２０２）に対して垂直にスキャナカートリッジ（１０）を押す力としての磁気力（Ｆｙ）を生じさせることと、
    を特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の測長装置。

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