JP5270384B2

JP5270384B2 - 直線案内機構および測定装置

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Publication number: JP5270384B2
Application number: JP2009006635A
Authority: JP
Inventors: 敦島岡; 武山本
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: DE102009055402B4; US20100180458A1; US8261461B2; JP2010164410A; DE102009055402A1

Description

本発明は、直線案内機構および測定装置に関する。詳しくは、２重平行ばね機構を用いた直線案内機構およびこの直線案内機構を備えた測定装置に関する。

移動部材を直線的に案内する機構として、２重平行ばね機構を用いた直線案内機構が知られている。
例えば、固定部材と移動部材とを、２組（第１，第２）の２重平行ばね機構を用いて連結し、移動部材を直線案内する機構が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。これは、第１の２重平行ばね機構と第２の２重平行ばね機構とが、移動部材の移動軸線を中心として１８０度の角度で配置された構成である。

また、図６に示すように、固定部材１と移動部材２とを、単一の２重平行板ばね機構１１Ａで連結した直線案内機構も知られている。この２重平行板ばね機構１１Ａは、固定部材１と移動部材２との間に配置される中間部材２１と、固定部材１と中間部材２１の両端とを連結するとともに移動部材２の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第１板ばね２２と、中間部材２１の中間部と移動部材２の両端部とを連結するとともに移動部材２の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第２板ばね２３とを備える構造である。

特開２００１−２８１３７４号特開２０００−１９４１５号

上述した直線案内機構において、移動部材２の直線性を確保するためには、全ての板ばね２２，２３の復元力が同じであることが必要とされる。つまり、全ての板ばね２２，２３の復元力が同じでないと、良好な直線性が得られない。全ての板ばね２２，２３の復元力を同じくするためには、全ての板ばね２２，２３の厚みや長さなどを同じに管理することが要求される。
しかし、現実的には、加工精度のばらつきなどによって全ての板ばね２２，２３の厚みや長さなどを同じにすることは困難である。すると、図７に示すように、移動部材２が直線運動をする際に、板ばねの曲げ方向（板ばねの曲がりやすい方向）へ回転運動を起こし良好な直線性が得られない。また、加工精度のばらつきの影響は、移動部材２の移動ストロークが長くなるほど顕著になるため、長ストロークに対応できない。

なお、２組の２重平行ばね機構を用いた直線案内機構でも、第１の２重平行ばね機構と第２の２重平行ばね機構とが、移動部材の移動軸線を中心として１８０度の角度で配置された構成であるため、つまり、板ばねの曲がりやすい方向が各２重平行ばね機構において一致するため、復元力のばらつきを補い合う効果が小さく、良好な直線性が得られない。

本発明の目的は、長ストロークに対応しつつ、良好な直線性を確保できる直線案内機構および測定装置を提供することにある。

本発明の直線案内機構は、固定部材と、移動部材と、前記固定部材と前記移動部材との間に配置され前記移動部材を移動可能に支持する第１の２重平行ばね機構および第２の２重平行ばね機構とを備え、前記第１の２重平行ばね機構および前記第２の２重平行ばね機構は、前記移動部材の移動軸線を中心として９０度の角度で配置され、前記第１の２重平行ばね機構および前記第２の２重平行ばね機構は、中間部材と、前記固定部材と前記中間部材とを連結するとともに前記移動部材の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第１板ばねと、前記中間部材と前記移動部材とを連結するとともに前記移動部材の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第２板ばねとを有し、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの厚み方向が前記移動部材の移動方向に一致して配置された２重平行板ばね機構により構成され、前記一対の第１板ばねの内側に前記一対の第２板ばねが配置されている、ことを特徴とする。
このような構成によれば、第１の２重平行ばね機構と第２の２重平行ばね機構とが、移動部材の移動軸線を中心として９０度の角度で配置されているから、例えば、一方の２重平行ばね機構がばね機構の曲がり方向へ回転運動しようとすると、他方の２重平行ばね機構には捻り力が作用する。２重平行ばね機構は、曲がり方向の剛性に対して捻り方向の剛性が高いため、他方の２重平行ばね機構によって一方の２重平行ばね機構の曲がりが抑制される。そのため、良好な直線性を確保できる。このことは、加工精度のばらつきにも影響されることが少なくなるから、長ストロークにも対応できる。

また、２重平行ばね機構が、板ばねを含んで構成されているから、安価に製造できるうえ、長ストローク化にも容易に対応できる。

特に、第１の２重平行ばね機構および第２の２重平行板ばね機構が、移動部材の移動軸線を中心として９０度の角度で配置されているから、互いの曲がり方向が互いの捻り方向に相当する。つまり、第１の２重平行ばね機構の曲がり方向が、第２の２重平行ばね機構の捻り方向に相当し、逆に、第２の２重平行ばね機構の曲がり方向が、第１の２重平行ばね機構の捻り方向に相当する。そのため、板ばねの復元力のばらつきから生じる回転運動が互いに抑制される結果、良好な直線性が得られる。

本発明の測定装置は、上述した直線案内機構と、この直線案内機構によって直線移動される可動部材とを備えた、ことを特徴とする。
ここで、直線案内機構によって直線移動される可動部材とは、測定装置を構成する部材のうち、移動可能な部材であればどのような部材でも適用可能であるが、直線性が要求される部材、例えば、被測定物に当接されるスピンドルや、被測定物を載置するステージなどが好適である。
このような構成によれば、可動部材の移動に関して、良好な直線性が確保されるから、高精度な測定装置を実現できる。

＜直線案内機構の説明（図１および図２参照）＞
図１は本実施形態の直線案内機構を示す斜視図である。
本実施形態の直線案内機構は、固定部材１と、移動部材２と、固定部材１と移動部材２との間に配置され移動部材２を移動可能に支持する第１の２重平行ばね機構１１および第２の２重平行ばね機構１２とを備える。
固定部材１は、正面から見てＣ字形状の部材によって形成され、開口部側に２つの接続端１Ａ，１Ｂが対向して配置されている。
移動部材２は、固定部材１の２つの接続端１Ａ，１Ｂの間に配置された角柱状の部材によって構成されている。

第１の２重平行ばね機構１１および第２の２重平行ばね機構１２は、移動部材２の移動軸線を中心として１８０度以外の角度で配置されている。この例では、第１の２重平行ばね機構１１および第２の２重平行ばね機構１２が、移動部材２の移動軸線を中心として９０度の角度で配置されている。
２重平行ばね機構１１，１２は、固定部材１と移動部材２との間に配置された中間部材２１と、固定部材１と中間部材２１とを連結するとともに移動部材２の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第１板ばね２２と、中間部材２１と移動部材２とを連結するとともに移動部材２の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第２板ばね２３とを有し、第１板ばね２２および第２板ばね２３の厚み方向が移動部材２の移動方向に一致して配置された２重平行板ばね機構１１Ａ，１２Ａによって構成されている。

中間部材２１は、固定部材１の２つの接続端１Ａ，１Ｂの間に略相当する長さを有する角柱状の部材によって構成されている。
一対の第１板ばね２２は、固定部材１の接続端１Ａ，１Ｂと中間部材２１の両端とを連結するとともに、厚さおよび長さ寸法が略等しく形成されている。
一対の第２板ばね２３は、中間部材２１の中間部と移動部材２の両端とを連結するとともに、厚さおよび長さ寸法が略等しく形成されている。なお、図１では、一対の第２板ばね２３と移動部材２との間に連結部材２４を介在させたが、連結部材２４を省略し、一対の第２板ばね２３を移動部材２に直接連結させてもよい。

一般に、板ばね２２，２３は、捻り方向の剛性が曲がり方向の剛性よりも高い。第１の２重平行板ばね機構１１Ａと第２の２重平行板ばね機構１２Ａとが、移動部材２の移動軸線を中心として９０度の角度で配置されると、互いの曲がり方向が互いの捻り方向に相当する。
つまり、図２に示すように、第１の２重平行板ばね機構１１Ａの曲がり方向Ｂ１が、第２の２重平行板ばね機構１２Ａの捻り方向Ｔ２に相当し、逆に、第２の２重平行板ばね機構１２Ａの曲がり方向Ｂ２が、第１の２重平行板ばね機構１１Ａの捻り方向Ｔ１に相当する。そのため、板ばねの復元力のばらつきから生じる回転運動が互いに抑制される結果、良好な直線性が得られる。

＜測定装置の説明（図３および図４参照）＞
測定装置３０は、上述した直線案内機構と、この直線案内機構によって直線移動される可動部材とを備えている。
可動部材としては、測定装置３０を構成する部材のうち、移動可能な部材であればどのような部材でも適用可能であるが、直線性が要求される部材、例えば、被測定物の当接されるスピンドルや、被測定物を載置するステージなどが好適である。

図３に示す測定装置３０では、移動部材２に、その移動部材２の移動方向に沿って伸びるスピンドル３１が取り付けられている。移動部材２を移動させると、スピンドル３１も同方向へ移動され被測定物に当接される。スピンドル３１が被測定物に当接したときの移動部材２の変位量を変位検出器（図示省略）から読み取れば、被測定物の寸法（例えば、厚み寸法など）を測定することができる。
つまり、スピンドル３１は、第１の２重平行板ばね機構１１Ａおよび第２の２重平行板ばね機構１２Ａによって良好な直線性が確保された状態で移動されるから、高精度な測定装置が得られる。

図４に示す測定装置３０では、移動部材２に、被測定物を載置するステージ３２が取り付けられている。移動部材２を移動させると、ステージ３２も同方向へ移動されるから、このステージ３２あるいは移動部材２の変位量を変位検出器（図示省略）で検出するように構成すれば、同様に、高精度な測定装置として構成することができる。
なお、図３および図４の測定装置において、移動部材２を移動させるには、手動操作でもよいが、駆動機構を設けて自動で移動させるようにしてもよい。

＜変形例（図５参照）＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。

図５に示すように、４つの２重平行板ばね機構１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａを、移動部材２の移動軸線を中心にして９０度角度間隔で配置してもよい。つまり、移動部材２の移動軸線を中心にして、４つの２重平行板ばね機構１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ（２重平行ばね機構１１，１２，１３，１４）を十字状に配置してもよい。
このように構成すれば、剛性をより高めることができる。従って、比較的重量物の移動部材２を直線案内する機構に適する。

前記実施形態では、直線案内装置を測定装置の可動部材に適用した例を説明したが、測定装置に限られない。例えば、工作機械を含む産業機械などの直線案内機構にも適用できる。

本発明は、測定装置のほか、加工機械など可動部材の直線性が要求される直線案内機構に利用できる。

本発明に係る直線案内機構の一実施形態を示す斜視図。同上実施形態の作用を説明するための図。本発明に係る測定装置（スピンドル直線案内機構）を示す斜視図。本発明に係る測定装置（ステージ直線案内機構）を示す斜視図。本発明に係る直線案内機構の他の変形例を示す斜視図。従来の２重平行板ばね機構を示す図。従来の２重平行板ばね機構の問題点を示す図。

１…固定部材、
２…移動部材、
１１…第１の２重平行ばね機構、
１１Ａ…第１の２重平行板ばね機構、
１２…第２の２重平行ばね機構、
１２Ａ…第２の２重平行板ばね機構、
１３…第３の２重平行ばね機構、
１３Ａ…第３の２重平行板ばね機構、
１４…第４の２重平行ばね機構、
１４Ａ…第４の２重平行板ばね機構、
２１…中間部材、
２２…第１板ばね、
２３…第２板ばね、
３０…測定装置、
３１…スピンドル（可動部材）、
３２…ステージ（可動部材）。

Claims

固定部材と、
移動部材と、
前記固定部材と前記移動部材との間に配置され前記移動部材を移動可能に支持する第１の２重平行ばね機構および第２の２重平行ばね機構とを備え、
前記第１の２重平行ばね機構および前記第２の２重平行ばね機構は、前記移動部材の移動軸線を中心として９０度の角度で配置され、
前記第１の２重平行ばね機構および前記第２の２重平行ばね機構は、中間部材と、前記固定部材と前記中間部材とを連結するとともに前記移動部材の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第１板ばねと、前記中間部材と前記移動部材とを連結するとともに前記移動部材の移動方向に対して直交しかつ互いに平行に配置された一対の第２板ばねとを有し、前記第１板ばねおよび前記第２板ばねの厚み方向が前記移動部材の移動方向に一致して配置された２重平行板ばね機構により構成され、
前記一対の第１板ばねの内側に前記一対の第２板ばねが配置されている、ことを特徴とする直線案内機構。
請求項１に記載の直線案内機構と、
この直線案内機構によって直線移動される可動部材とを備えた、ことを特徴とする測定装置。