JP5546842B2 - 座標測定機械 - Google Patents

Description

本発明は、座標測定機械に関し、特に高精密のボールジョイントを用いる座標測定機械に関するものである。

軸（stalk）上にボールを具えたピボットジョイントが知られている。かかるピボットジョイントにおいては、ソケット内にボールが配置され、ソケットからは軸が突出している。これらのピボットジョイントには、特にボール部が正確な球でないために、精度が高くないという不利な点を有している。さらに、ボール部が磨耗したとき、廉価に交換できないという不利な点もある。

正確な球（すなわちボールベアリング）はラッピングプロセスによって非常に精密に作製することができる。

本発明は、座標測定機械に高精度の位置決め性を与えるピボットジョイントを提供することを目的とする。

本発明の第１の形態は、第１構造に取り付けられたボールと、該ボールに対し可動に取り付けられた第２構造と、を具えたピボットジョイントにおいて、
前記ボールは前記第１構造に対して静止して固定位置に保持され、
前記第２構造は、前記ボールと摺動接触する少なくとも２つのベアリング表面を提供する周面を有する開口を有し、前記少なくとも２つのベアリング表面が前記ボールに対する前記第２構造の位置を定めるものであり、前記少なくとも２つのベアリング表面の間の前記第２構造の領域が前記ボールに接触していないピボットジョイントを提供する。

好ましくは、前記ボールは、少なくとも２つの位置で前記第１構造に接触することにより前記固定位置に保持される。

好ましくは、前記第２構造の開口は、前記ボールと摺動接触する少なくとも３つのベアリング表面を提供する周面を有する。

好ましくは、前記ベアリング表面は、前記ボールと小面積で接触することにより、前記少なくとも２つのベアリング表面間の前記ボールの摺動を最大限にする。

好ましくは、前記第２構造は前記ボールに接触するよう付勢されている。

好ましくは、前記第２構造を前記ボールに接触するよう付勢するために、ばね、磁石、真空またはゴムバンドが設けられる。

好ましくは、前記第１構造は円錐形の窪みを有し、前記ボールは、前記円錐形の窪みおよび少なくとも１つの接点に接触することより、前記固定位置に位置づけられる。

好ましくは、前記第２構造は前記第１構造および前記ボール間に補足される。

好ましくは、前記ボールは、高い球面性をもつボールベアリングである。

好ましくは、前記ボールは、その球面性および滑らかさに影響を及ぼさない手段によって、前記第１構造に対し位置づけられる。
本発明の第２の形態は、第１構造に取り付けられたボールであって、前記第１構造が前記ボールを保持するためのカットアウトと、該カットアウトに前記ボールを剛に保持させるためのクランプとを含み、該クランプによって前記カットアウトに保持されたときに、少なくとも２つの位置で前記第１構造に接触することで固定位置に静止して保持される当該ボール、および
該ボールに対し可動に取り付けられた第２構造であって、前記ボールに対してその位置を定めるために前記ボールの表面に着座する少なくとも１つのベアリング表面を有する当該第２構造、
を具えたピボットジョイントを提供する。
好ましくは、前記少なくとも２つの接触位置は前記ボールの対向する側部にある。
好ましくは、前記第２構造は前記ボールを介して前記第１構造と相互に接続される。
好ましくは、前記接触位置の少なくとも１つが調節可能である。
好ましくは、前記ボールは、少なくとも４つの接点により、前記第１構造に対して前記固定位置に静止して保持される。
好ましくは、前記ボールは、円錐形の窪みおよび少なくとも１つの接点により、第１構造に対して前記固定位置に静止して保持される。
好ましくは、前記第２構造は、３つのベアリング表面を有する。
好ましくは、前記第２構造は前記ボールに接触するよう付勢される。
さらに本発明は、上記ピボットジョイントを具えた座標測定機に存する。

本発明に係るピボットジョイントによれば、（高）精密ジョイントを廉価に製造できる。高い球面性をもつボールベアリングを用いて、２構造間の円滑かつ精密な運動を生じさせることができ、高価な精密加工プロセスを受けることもない。その理由の一つは、ボール表面およびジョイントの移動の滑らかさおよび真球度に悪影響を与え得るねじ止め（screw stud）を使用することなく、ボールが定位置に保持または固定されることで、これらボールジョイントが正確である、ということである。

本発明のピボットジョイントを用いた座標測定機の斜視図である。 座標測定機の上部ステージの斜視図であり、ピボットジョイントを示している。 座標測定機の支柱の一端の平面図である。 座標測定機の上部ステージの平面図であり、ピボットジョイントを示している。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 座標測定機の他の例による支柱の一端の平面図である。 ピボットジョイントにおけるボールの他の例によるクランプ構成を示す模式図である。 ピボットジョイントにおけるボールの他の例によるクランプ構成を示す模式図である。 座標測定機の上部ステージの斜視図であり、他の例によるピボットジョイントを示している。

添付の図面を参照し、本発明の実施形態を例として説明する。

図１に座標測定機が示されている。座標測定機は固定された下部ステージ１０および可動の上部ステージ１２を具える。上部および下部ステージは入れ子式の支柱１４によって連結され、それぞれの支柱は各々の上端および下端においてピボットジョイントにより上部および下部ステージに接続されている。各支柱はその長さを増加および減少させるためのモータ１６を有する。

ピボットジョイントを介して上部および下部ステージに接続されている３つの入れ子式支柱１４によってのみ上部ステージ１２が支持されていると、上部ステージは下部ステージ１０に対し３つの直交軸の周りに相対回転し得る。これを防ぐため、３つの回転防止装置（anti-rotational devices）２０が設けられ、これらの回転の３自由度を除去する一方、並進（translational movement）を許容している。この装置は受動的なものであって、すなわちモータその他のアクチュエータを有していない。回転防止装置２０と、上部および下部ステージ１２,１０との間のジョイントもまた、ピボットジョイントである。

図２、図４および図５には、上部ステージ１２と回転止め装置２０との間のピボットジョイントがより詳細に示されている。上部ステージ１２には構造化されたカットアウト（structured cut-out）３０が設けられている。ピボットジョイントのボール３２は、カットアウト３０の周囲を限界する表面により、カットアウト３０内に支持される。図２においては２つのカットアウト３０が、一方はボールジョイントの他の要素とともに、他方はそれを含まずに、示されている。

ボール３２はカットアウト３０の２つの対向表面３４,３６によって支持される。第１の曲面３４はボール３２の一側に接触し、第２の曲面３６はボール３２の下側表面と２つの接点３６Ａ，３６Ｂで接触する。ボール３２の位置はこれら３つの接点３４，３６Ａ，３６Ｂと、クランプ３８,４２によって提供される第４の接点とによって定められる。

本例において、クランプはワッシャ３８と、ねじまたはボルトなどの固定具４２とを具えている。ワッシャ３８は上部ステージ１２におけるカットアウト３０内に設けられた棚４１上に配置され、その下側面の縁がボール３２と接触する。上部ステージ１２にはワッシャ３８の中心に一致して穴４０が設けられ、ここに固定具４２を受容して、ボール３２に対しワッシャ３８が保持されるようにしている。従ってボール３２は、第１曲面３４、第２曲面の２接点３６Ａ，３６Ｂ、およびワッシャ３８によって、その表面の周りの４箇所で固定位置に剛に保持される。

図９には上部ステージ１２および支柱１４間の他の例によるピボットジョイントが示されている。上部ステージ１２には構造化されたカットアウト１３０が設けられている。ピボットジョイントのボール３２は、カットアウト１３０の周囲を限界する表面により、カットアウト１３０内に支持される。図９においては２つのカットアウト１３０が、一方はボールジョイントの他の要素とともに、他方はそれを含まずに、示されている。

ボール３２はカットアウト１３０の２つの対向表面１３４,１３６によって支持される。第１の曲面１３４はボール３２の一側に接触し、第２の曲面１３６はボール３２の下側表面と２つの接点１３６Ａ，１３６Ｂで接触する。ボール３２の位置はこれら３つの接点１３４，１３６Ａ，１３６Ｂと、クランプ３８,４２によって提供される第４の接点とによって定められる。

カットアウト１３０についての接触面の向きは、支柱１４の向きが回転防止装置２０に対して回転しているので、カットアウト３０に対して回転している。これは図１に見ることができる。

入れ子式支柱１４および回転防止装置２０のそれぞれの各端部には穴４５が設けられ、これは各ピボットジョイントのボール３２に嵌り合う。それぞれの穴４５は、図３に示すように、１２０度の間隔をおいたベアリング表面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを有するように形成されている。この３つのベアリング表面のみがボール３２に接触する。これらのベアリング表面はボール３２との接触面積が小さく、表面間の摺動を最大限にする。これらのように接触面積を小とすることで、ボール３２に対する回転防止装置２０または支柱１４の反復位置決めも提供される。

この例ではボール３２を囲繞する第２構造１４，２０を示したが、これは必須ではない。従って、第２構造は構造内にギャップをもって、ボールを実質的に囲繞するものであってもよい（どのようなギャップでもその限界寸法は、ボールの直径および第２構造のベアリング表面の位置の関数である）。

支柱１４および回転防止装置２０の双方が本発明に係るピボットジョイントを有することが好ましいけれども、これは必須ではないことに注意すべきである。

入れ子式支柱１４および回転防止装置２０のそれぞれの各端部には穴４５が設けられ、これは各ピボットジョイントのボール３２に嵌り合う。それぞれの穴４５は、図３に示すように、１２０度の間隔をおいたベアリング表面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃを有するように形成されている。この３つのベアリング表面のみがボール３２に接触する。これらのベアリング表面はボール３２との接触面積が小さいことで、ベアリング表面およびボールの表面間の摺動性を向上する。これらのように接触面積を小とすることで、ボール３２に対する回転防止装置２０または支柱１４の反復位置決めも提供される。

支柱１４および回転防止装置２０はベアリング性の良好な材料、例えばリン青銅で形成される。支柱１４は、エッチングおよびその後の機械加工または打抜き（stamping）で穴４５を形成し、穴４５の長さおよび幾何学形状を正確に調整することで作製される。

図５は、ピボットジョイントに取り付けられる回転防止装置２０をもつ上部ステージ１２を示す側面図であり、これは図４のＡ−Ａ線断面である。ボール３２は４つの接点のうち３つで所定位置に保持されていることがわかる。これらは、第２ステージ１２に設けられた第１曲面３４、および第２曲面３６の２接点、並びにワッシャ３８の表面３７である。これらの表面はボール３２の周囲に沿って間隔をおいて示されている。ボール３２に接触するワッシャ３８の表面３７は、ワッシャ３８の下面および側面間の面取り端であり、これはワッシャ３８の全周に延在している。これによって、ワッシャ３８の向きによらず、表面３７がボール３２に提供される。

この図において、回転防止装置２０は所定位置にあり、一方のベアリング表面４３がボール３２に接触して示されている。他の２つのベアリング表面はこの図には示されていない。

ボール３２と上部ステージ１２およびワッシャ３８との間に４つの接点を配置することによって、回転防止装置２０の端部に、ボール３２についての移動を行うに十分な空間を取ることができるようになる。加えて、構造化されたカットアウト３０の各々はボール３２の一方の側部にカットアウト突出部（lobe）３１を有し、回転防止装置２０の端部に、操作を行うに充分な空間を取ることができるようにしている。３つのベアリング表面４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃはボール上を動いてもボールに接触したままとなることで、回転防止装置２０のアームがボール３２に関して回転できるようになる。

衝撃（jolt）が発生すると、ベアリング表面はボールから跳ね上がり、剛の係止部（すなわちカットアウト構造３０の縁）に当たってから、ボール上の位置に復帰する。よってボールジョイントは自らを保護する。高精密のボールジョイントが必要な場合には、例えば回転防止装置２０の２つの部分間にコイルばねを設け、１または複数のベアリング表面をボール３２に対し付勢するようにしてもよい。かかるばねは、いかなる衝撃の後でもベアリング表面がボールに復帰する助けとなり、構造に剛性を付加することになる。当業者であれば、本発明に係るボールジョイントを含む装置の他の部位へのバイアス手段の配設が有効であることが理解できよう。

ボールに対しベアリング表面を付勢する他の方法は、第２構造１４，２０をバイアスすることで行われる。これを実現するための一方法は、第２構造１４，２０にクランプされる一端と、ボール３２を押圧する他端とを有するプレートを備えることである。すなわちプレートは板ばねのように作用する。クランプは、例えばねじによって取り外し可能に固定されることが好ましく、これによればメンテナンスや交換のためにボール３２を取り外すことができるようになる。プレートという語は、ワッシャ等バイアスを提供するために適した種々の形状および構造のすべてを含むものである。かかるプレートは、ワッシャ３８とともに、あるいはこれに代えて用いることができるものである。

ピボットジョイントに用いるボールは、硬質／低摩擦の材料で作製されたものとすることもできるし、あるいは硬質／低摩擦の材料でコーティングされた材料で作製されたものでもよい。

上例は座標測定機におけるピボットジョイントの使用について述べたものであるが、このピボットジョイントはかかる機械とともに用いられる場合に限られることはなく、他の用途に用いることもできる。

さらに本発明は、上述のようなボール配置方法に限られることはない。実施形態ではボールに対し１つを調節可能とした４つの接点について述べたが、ボールに対し総計５以上の接点を設けることもできる。加えて、調節可能な接点を２以上設けることもでき、例えば４接点のすべてを調節可能としてもよい。

図７には正しい位置にボールを剛にクランプする他の方法が示されている。ボール３２は円錐形の窪み４８に配置され、１つの接点５４をもつ固定具５２（例えばねじ）によってボール３２に対し所定位置に保持される。固定具５２はボール３２に対する２以上の接点を有するもの（例えばＶ溝）であってもよいのは勿論である。

図８は正しい位置にボールを剛にクランプする別の方法が示されている。ボール３２は平坦な表面５０に配置され、ボール３２の表面と接触する円錐形の窪み５６を有する固定具５２によって所定位置に保持される。

接着、ブレージングおよび溶接などの恒久的な方法によってボールが所定位置に保持されていてもよい。しかしこれらの方法には、ボールが交換可能なものではなくなってしまうという不利な点がある。

このピボットジョイントは、廉価に製造でき、容易に組立てできるという２つの利点がある。

ボールを保持するカットアウト構造は機械加工が容易である。この構造内で分離型（free）のボールを繰り返し位置決め可能とすることによって、交換も容易となる。さらに、市販の正確な球（例えばボールベアリング）を構造内の正確な位置決めに組み合わせることによって、高精密のボールジョイントが作製される。

本明細書および特許請求の範囲を通じて使用される、語句「ピボットジョイント」におけるピボットという語は、２または３の自由度を有するユニバーサルジョイントと同様、１、２および３自由度をもつピボットジョイントを含むものとして定義される。

Claims (19)

1. ピボットジョイントを介してステージに取り付けられる支柱を具えた座標測定機械であって、
   前記ステージが第１構造を、前記支柱が第２構造を含んでおり、ボールが前記第１構造に取り付けられ、前記第２構造が前記ボールに対し可動に取り付けられることによって前記ピボットジョイントが形成され、
   前記ボールは、前記第１構造と少なくとも２つの位置で接触することによって前記第１構造に対して静止して固定位置に保持され、
   前記第２構造は、前記ボールと摺動接触する３つのベアリング表面を提供する周面を有する開口を有し、前記３つのベアリング表面が前記ボールに対する前記第２構造の位置を定めるものであり、前記３つのベアリング表面の間の前記第２構造の領域が前記ボールに接触しておらず、かつ、前記第２構造が前記ボールと接触するように付勢されている、
   ことを特徴とする座標測定機械。
2. 前記ベアリング表面は、前記ボールと小面積で接触することにより、前記３つのベアリング表面および前記ボール間の摺動性を向上することを特徴とする請求項１に記載の座標測定機械。
3. 前記第２構造を前記ボールに接触するよう付勢するために、ばね、磁石、真空またはゴムバンドが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の座標測定機械。
4. 前記第２構造の前記３つのベアリング表面は、前記第２構造にクランプされる第１端と前記ボールを押圧する第２端とを有するプレートによって、前記ボールに接触するよう付勢されることを特徴とする請求項１または２に記載の座標測定機械。
5. 前記プレートが板ばねを含むことを特徴とする請求項４に記載の座標測定機械。
6. 前記第１構造は円錐形の窪みを有し、前記ボールは、前記円錐形の窪みおよび少なくとも１つの接点に接触することより、前記固定位置に位置づけられることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の座標測定機械。
7. 前記第２構造は前記第１構造および前記ボール間に捕捉されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の座標測定機械。
8. 前記第２構造の前記開口が穴を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の座標測定機械。
9. 前記３つのベアリング表面が１２０度の間隔を置いていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の座標測定機械。
10. 前記ボールは、高い球面性をもつボールベアリングであることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の座標測定機械。
11. 前記ボールは、その球面性および滑らかさに影響を及ぼさない手段によって、前記第１構造に対し位置づけられることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の座標測定機械。
12. ピボットジョイントを介してステージに取り付けられる支柱を具えた座標測定機械であって、
    前記ステージが第１構造を、前記支柱が第２構造を含んでおり、ボールが前記第１構造に取り付けられ、前記第２構造が前記ボールに対し可動に取り付けられることによって前記ピボットジョイントが形成され、
    前記第１構造が前記ボールを保持するためのカットアウトと、該カットアウトに前記ボールを静止して保持させるためのクランプとを含み、前記ボールは、前記クランプによって前記カットアウトに保持されたときに、少なくとも２つの位置で前記第１構造に対して保持され、および
    前記第２構造は、前記ボールに対してその位置を定めるために前記ボールの表面に着座する３つのベアリング表面を有し、かつ、前記第２構造が前記ボールと接触するように付勢されている、ことを特徴とする座標測定機械。
13. 前記少なくとも２つの接触位置は前記ボールの対向する側部にあることを特徴とする請求項１２に記載の座標測定機械。
14. 前記第２構造は前記ボールを介して前記第１構造と相互に接続されることを特徴とする請求項１３に記載の座標測定機械。
15. 前記接触位置の少なくとも１つが調節可能であることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載の座標測定機械。
16. 前記ボールは、少なくとも４つの接点により、前記第１構造に対して前記固定位置に静止して保持されることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載の座標測定機械。
17. 前記ボールは、円錐形の窪みおよび少なくとも１つの接点により、第１構造に対して前記固定位置に静止して保持されることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載の座標測定機械。
18. 前記第２構造の前記３つのベアリング表面は、前記第２構造にクランプされる第１端と前記ボールを押圧する第２端とを有するプレートによって、前記ボールに接触するよう付勢されることを特徴とする請求項１２ないし請求項１７のいずれかに記載の座標測定機械。
19. 前記プレートが板ばねを含むことを特徴とする請求項１８に記載の座標測定機械。

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