JP5484700B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による測長装置に関する。

このような例えば特許文献１、２および３に記載されているような測長装置は、長さならびに距離を測定するのに使用され、かつ座標測定装置においては、特に加工されるべき加工材料に対する工具の相対運動を測定するための加工機械において使用されるが、半導体業界においてはさらにいっそう使用されている。

この場合、測定尺として、測定目盛を備えたスケールが使用され、このスケールは環境条件から保護された状態で測定方向で縦方向に延在しているケーシング内に設けられている。インクリメンタルにあるいは絶対的に符号化されている測定目盛は、位置決めの際に走査キャリッジにより走査される。この目的で、走査キャリッジは互いに垂直に走るスケールの二つの案内面に測定方向で縦方向に案内され、かつこれらの案内面に押し当てられる。測定長全体にわたり、走査キャリッジ−特に走査板−とスケールの間の一定の距離が維持され、これにより走査信号の良好な品質が保証されることが確実に行われるのでこの案内は実証されている。走査キャリッジの案内部は、測定されるべき対象と走査キャリッジの間で帯行体が、走査キャリッジを測定方向で硬く、かつ測定方向に対して横方向で帯行体に可撓に連結している連結体を備えていることにより、測定されるべき対象の案内部から連結解除されている。

特許文献３において、連結体は二つの接触している連結部から成る。接触している連結部間の磨耗を減少させるために、滑動被膜が設けられている。この滑動被膜は薄い滑動箔であり、かつ例えばＰＴＦＥを含有した合成樹脂でできている。実際、帯行体に固定された従来技術による連結部は、鋼製のピンとして構成されており、このピンは帯行体の孔内で支持されている。ピンは接触点から出発して対称に形成されている。接触点をスケールの中立平面の近くにもってくるために、従ってスケールそれ自体にもってくるために、ピンの直径は極めて小さく選定されるが、それにより安定性は好ましくない影響を被る。

測長装置への要求は常に高く、高い解像度ならびに高い精度、そして位置測定の再現性が要求される。その際、コンパクトな機械的構造がなければならず、測長装置は費用をかけずに生産しなければならない。
独国特許出願公開第２８４５５４２号明細書 独国特許出願公開第３２０１８８７号明細書 欧州特許第０４５９２９４号明細書

本発明の根底をなす課題は、費用をかけずに製造可能である、測定精度が高くかつ再現性がある測長装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴により解決される。

高い測定精度を得るには、測定長全体にわたり走査距離が一定であることが前提となる。

このことは、測長装置自体、特にスケールに沿って走査キャリッジを案内することにより達せられる。測定されるべき対象物の案内の不精確とは関係のない走査キャリッジを精確な案内を行うために、対象物は帯行体に接してただ測定方向で剛性の高い連結部を介して走査キャリッジに連結されている。本発明による連結部の案内により、他の全ての方向において、測定方向での走査キャリッジの精確な案内及び運動への反作用がおこらない帯行体の運動が可能となる。摩擦特性ならびに磨耗特性は、安定性ができるだけ高く、かつ製造費用がかからない場合に最適になっている。特に長い寿命と、この長い寿命により再現可能な位置測定が達成可能である。

従属請求項には、本発明の有利な実施形態が示してある。

本発明を実施例を用いて詳しく説明する。

本発明は例えばＸ方向で対向して摺動可能な二つの物体の相対位置を測定することを意図した光学式測長装置である。その際、特にガラスでできた透明なスケール２０は、スケール２０に対してＸ方向に移動可能な走査キャリッジ１０により走査される。スケール２０は走査キャリッジ１０により透過光内で走査される測定目盛２１を備えている。この目的で、走査キャリッジ１０は照明ユニットを有しており、この照明ユニットはスケール２０の中を進み、最後には走査キャリッジ１０の感光性走査センサーに当たる光束を放射する。この場合、光束はスケール２０の測定目盛２１により位置依存して変調される。

スケール２０はケーシング２２の中に設けられており、このケーシングは測定されるべき物体、例えば工作機械の機械ベッドに再度固定されている。その際、スケール２０は公知の方法で、例えば貼付けあるいは挟み込みによってケーシング２２と連結している。ケーシング２２は、その縦方向において測定方向Ｘに走るスリットを備えており、このスリットは、屋根状に傾斜したシールリップにより閉鎖されており、このシールリップにより帯行体１３は剣状のセンタピースにより貫通捕捉されている。帯行体１３は、取付け領域１３１を備えており、この取付け領域により帯行体は機械ベッドに対して摺動可能な物体、例えば工作機械のキャリッジに固定可能である。

走査キャリッジ１０はスケール２０に沿って正確に平行案内するためにスケールに沿って案内されている。その目的で、走査キャリッジ１０は案内部材を介して互いに垂直に整向された二つの、スケール２０の面２０１，２０２に支持されている。これらの面の一つは測定目盛２１を担持している面２０１であり、もう一方の面は、前記面に対して垂直に延在しているスケール２０の短辺面２０２である。案内部材はスライド部材でもよいが、特に図１にただ一方だけ示してある支承されたローラー１５１であってもよい。

走査キャリッジ１０と帯行体１３の間には、連結体１４が設けられており、この連結体は走査キャリッジ１０をＸ方向で硬く、かつ走査キャリッジに対して横方向で帯行体１３に可撓に連結する。この方法により、帯行体１３の誤った整向は走査キャリッジ１０に伝達しない。この連結体１４は、第一連結部分１４１を走査キャリッジ１０に、かつ第二連結部分１４２を帯行体１３に備えている。第一連結部分１４１の連結面Ｆ１は作動中に絶えず第二連結部分１４２の連結面Ｆ２に接触している。第一連結部分１４１はプレートであり、連結面Ｆ１は測定方向に対して垂直に整向されている平面である。第二連結部分１４２の連結面Ｆ２は球面に、特に球形に形成されており、従って第一連結部分１４１の連結面Ｆ１と第二連結部分１４２の連結面Ｆ２の間には点状接触部Ｐが生じる。

動力部材、例えば圧縮バネ１６により、両連結部分１４１，１４２の動力を伝達する連結が生じる。この機構により、測定方向Ｘに極度に剛性の高い連結がもたらされる。残りの５自由度は、走査キャリッジ１０と帯行体１３の間の相対運動の場合には妨げられない。
この相対運動により、機械案内部と、測長装置内の走査キャリッジ１０の案内部との間の案内誤差により引き起こされた状態で、第一連結部分１４１の平らな連結面Ｆ１において
第二連結部分１４２の丸く曲げられた連結面Ｆ２は滑動する。

両連結部分１４１，１４２の少なくとも一つは、少なくとも接触部Ｐの領域内はセラミックでできている。図示した実施例では、両連結部分１４１，１４２、すなわち走査キャリッジ１０に固定された板状の第一連結部分１４１と、帯行体１３に固定された球状の連結面Ｆ２を有する第二連結部分１４２がセラミックでできている。

セラミックは非金属の無機物材料である。セラミック酸化物、特に酸化ジルコニウムを使用すると特に有利である。

第二連結部分１４２は、測定方向Ｘに対して垂直に延在している接触面Ｆ３でもって帯行体１３に支持されている。この接触面Ｆ３は、第一連結部分１４１の連結面Ｆ１に接触している連結面Ｆ２からＸ方向に間隔をおいて設けられている。第二連結部分１４２の球形の連結面Ｆ２は、第一連結部分１４１の平らな連結面Ｆ１に点状に接触しており、この点状接触部Ｐの箇所は、スケール２０に対して間隔Ａを有しており、その際この間隔Ａは測定方向Ｘに対して垂直な方向に延びている。接触面Ｆ３は長さ部分（Ausdehnung）を測定方向に対して垂直に有しており、この長さ部分は接触部Ｐにより定まった位置から出発して、スケール２０の方向＋Ｚにおいては、方向−Ｚ、従ってスケール２０から遠ざかる方向におけるより何倍分も短い。これにより、第二連結部分１４２の接触部Ｐは、スケール２０の中間領域の位置のできるだけ近くに、通常はスケールの中央に設けられており、それにもかかわらず第二連結部分１４２は、帯行体１３に接して広い接触領域Ｆ３を有しており、従って高い剛性をＸ方向で備えている。接触点Ｐから出発して見られるこの非対称な形状は、材料の選択により容易に使用可能である。

第二連結部分１４２は、組立を容易にするために、帯行体１３に保持部材１７を介して固定されている。この保持部材１７は、帯行体１３に設けられた接着装置の機能を有しており、この接着装置は第二連結部分１４２を基準位置で帯行体１３に接着するために接着剤が硬化するまで確実に固定する。

本発明の特別な長所は、連結体１４が極めて高い強度と形状安定性を備えていることにあり、従って連結体が特に高い剛性を測定方向Ｘで備えていることにある。この長所は、一方ではもっぱら材料の選択に基づいてのみ生じ、かつ材料の選択が可能となる設計によりなお更に改善される。

材料の選択に基づき、連結部分１４１，１４２の接触部Ｐにおける良好な摩擦学的特性が得られる。測定精度に影響を与える磨耗は一切発生しない。同じように、スケールを汚し、同様に走査信号の品質に不利な影響を与え、従って測定精度を低下させる磨耗は一切発生しない。

セラミック材料を用いて、連結部分１４１，１４２を焼結製法により製造することにより、僅かな費用でもって、従って特に原価を安く、必要とされる形状と形状通りに滑らかな表面が得られる。

本発明は、光学走査原理による測長装置に限定されてはいない。スケールの走査は静電容量性であるか、磁性であるか、あるいは誘導性であり、そのためには、測定目盛と走査センサーが対応して構成されていなければならない。

測定方向における測長装置の部分図である。 図１による測長装置の連結部分の斜視図である。

符号の説明

１０ 走査キャリッジ
１３ 帯行体
１４ 連結体
１６ 動力部材
２０ スケール
２１ 測定目盛
１４１ 第一連結部
１４２ 第二連結部
２０１ 案内面
２０２ 案内面
Ｆ１ 連結面
Ｆ２ 連結面
Ｐ 接触部
Ｘ 測定方向

Claims (5)

1. 二つの対象物の相対位置を測定するための測長装置であって、
   −スケール（２０）と、
   −スケール（２０）の目盛（２１）を走査するための走査キャリッジ（１０）と、
   −連結体（１４）とを備えており、
   前記走査キャリッジ（１０）が測長装置の案内面（２０１，２０２）において測定方向（
   Ｘ）で縦方向に案内されており、
   前記連結体を介して、走査キャリッジ（１０）が測定方向（Ｘ）で硬く、かつこの測定方向（Ｘ）に対して横方向で帯行体（１３）に可動に連結しており、この帯行体が両対象物の一つに固定可能であり、
   この場合、連結体（１４）が第一連結部（１４１）を走査キャリッジ（１０）に接して備
   えており、第二連結部（１４２）を帯行体（１３）に接して備えており、第一連結部（１
   ４１）の平坦な連結面（Ｆ１）が第二連結部（１４２）の球形に曲げられた連結面（Ｆ２）に点状に接触している測長装置において、
   前記第二連結部（１４２）の球形に曲げられた連結面（Ｆ２）が、前記第一連結部（１
   ４１）の平坦な連結面（Ｆ１）で滑動することにより、キャリッジの前記可動な連結が実現されていること、
   −第二連結部（１４２）がセラミック材料でできていること、
   −第二連結部（１４２）が帯行体（１３）に不動に固定された物体であり、この物体が測定方向（Ｘ）に対して垂直に延在している接触面（Ｆ３）でもって帯行体（１３）に支持されており、その際接触面（Ｆ３）が連結面（Ｆ２）から測定方向（Ｘ）に間隔をおいて設けられていること、
   −第二連結部（１４２）の接触面（Ｆ３）が長さを測定方向（Ｘ）に対して垂直に有しており、この長さが点状の接触部（Ｐ）により設定された位置からスケール（２０）への方向（＋Ｚ）ではスケール（２０）から遠ざかる方向（−Ｚ）での長さより何倍も短いことを特徴とする測長装置。
2. セラミック材料が酸化ジルコニウムであることを特徴とする請求項１記載の測長装置。
3. 第一連結部（１４１）の連結面（Ｆ１）が平面であり、この平面が測定方向（Ｘ）に対し
   て垂直に延在していることを特徴とする請求項１または２に記載の測長装置。
4. 動力部材（１６）が設けられており、この動力部材が両連結部を接し合って押付けている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の測長装置。
5. 動力部材がバネ（１６）であることを特徴とする請求項４記載の測長装置。

Images