JP5578752B2 - ベアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明はベアリング装置に関し、特に、例えば関節式手首部を有する測定装置用の精密なベアリングの分野に限られないものである。
精密ベアリングは多くの形態が知られている。最も簡潔なものは、滑り接触に基づいて荷重を伝えるものである。より複雑なベアリングは、回転接触を有したもの、例えばボールレースまたはローラセットを有したものである。回転接触は高荷重、高回転速度および長寿命の点で好ましい。しかし、これらのベアリングは、正確に製造する必要があり、従って、高価になる。薄形材の要素が用いられる場合には、それら要素はそれらが収納されるハウジングの形を小さくしやすい。その結果として、それらのハウジングは、良好な動作精度を維持するには必要以上に正確に作成しなければならなくなる。
滑り接触ベアリングは、例えば時計のベアリングのような精密ベアリングとして用いることができるものである。時計ベアリングやその類のものは、受ける荷重が小さく、従って大きな支持面を必要とせずに力の伝達を行なうことができる。典型的なものとして、回転軸が円錐状の端部を持ち、それぞれ、相補的にこの端部を受ける要素を備えた２つの板の間で支持するものがある。この種のベアリングは、簡潔かつ低コストであるものの、摩損が生じたときはそれに対する調整が難しい。摩損は滑り接触を採用する場合により一般的なものとなっている。
市販のベアリングの１つは、典型的には真円度測定装置に用いられるものであり、例えばＰ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．の固定ブロックに円錐状の凹部とこの凹部内で回転できるように嵌められたボールとを備えたものである。同じく、このようなベアリングの摩損に関する調整には問題があり、また、その装置は一対で用いられるものではない。
本発明の一実施形態によれば、ベアリング装置において、軸を有した回転要素の前記軸上に位置する２つのベアリングアセンブリを具え、それぞれのベアリングアセンブリは、前記回転要素に取り付けられた第1要素と、相対的な回転の間前記第1要素と滑り接触する第２要素と、の２つの要素を有し、それぞれのベアリングアセンブリにおいて、前記第１要素と第２要素との接触は複数の接触点を含む平面内で生じ、前記アセンブリの１つではその接触平面の弾性変位が可能であり、他方のアセンブリでは固定されてその接触平面の変位が防止されるベアリング装置が提供される。
他の周知のベアリングとしてボールジョイトが知られている。典型的なものは、球状の要素が相補的にソケットにより支持されて１度以上の自由度で動くことができるものである。このようなジョイントの例は、欧州特許番号６８０５９９(レニショウ)の図８および９に示され、ボール８０および三角ソケット７８として参照される。
夫々のソケット７８は脚７７の中に形成され、この脚７７が弾性的に動くことができる。つまり、２つの脚７７の間で支持されるチューブ７２は弾性的に前後に変位することができる。それらの脚をそのようにすることによって、チューブ７２の回転軸の位置が変ることができる。
本発明の第２の実施形態によれば、ベアリング装置において、軸を有した回転要素の前記軸上に位置する２つのベアリングアセンブリを具え、それぞれのベアリングアセンブリは、前記回転要素に取り付けられた第1要素と、相対的な回転の間前記第1要素と滑り接触する第２要素と、の２つの要素を有し、それぞれのベアリングアセンブリにおいて、前記第１要素と第２要素との接触は複数の接触点を含む平面内で生じ、前記アセンブリの少なくとも１つではその接触平面が軸に平行な方向ヘの弾性変位が可能であるベアリング装置が提供される。
上述した問題点は、それらのベアリングが測定装置を構成する要素の(軸周りの旋回を含む)回転に用いられる場合に特に顕著である。このような装置では、ベアリングが摩損したり、あるいはその構成要素の寸法に熱変化が生じた後でも、正確な円運動を再現する必要があり、また、軽量であることや低コストが望まれるものである。
本発明の第３の形態によれば、測定装置において、本発明の上記第１または第２の形態によるベアリング装置を含む軸を有した測定装置が提供される。好ましくは、測定装置は機械的手首要素を含むものである。
上記第１、第２および第３の形態の好ましい特徴は、以下の各段落に示される。
それぞれのベアリングアセンブリの前記２つの要素は、凹部または開口を有した雌要素と前記凹部または開口に受けいれられることが可能な雄要素とを含むことができる。
前記接触は滑り接触とすることができる。
滑り接触の場合、その接触は、少なくとも１つのアッセンブリの雌要素と雄要素との間で生じ、また、前記平面内の離れた位置で生じるものとすることができる。
前記離れた位置は、前記雌要素にける非円形の凹部または開口(例えば、３角形あるいは３面体)と円形(例えば、球状あるいは円錐状)の前記雄要素との作用によってもたらされ、または前記雌要素の円形(例えば、円錐状あるいは直線の辺を持った)の凹部または開口と非円形(例えば、３面体)の雄要素との作用によってもたらされることができる。
あるいは、前記接触は回転接触であり、前記要素はボールレースを含むこともできる。
前記平面の変位は動くことのできる雌要素によってもたらされ、上記の動きが弾性的である場合には雌要素は弾性的に動くことができる。この雌要素はバネ性を有した平らな支えとすることができる。
上記各アセンブリが結びつけられたものは、相対的に回転できる第１および第２のハウジングとすることもできる。それぞれのアセンブリの雌要素および雄要素が上記第１および第２ハウジングの両方に関連付けられるようにすることもできる。
本発明の第４の形態によれば、測定プローブの支持物において、プローブの回転に関する２つの軸を定める連結手首を具え、第１の軸で請求項１ないし１０のいずれかに記載のベアリング装置が設けられ、該ベアリング装置は前記第１軸の方向に当該ベアリング装置を越えて延在する延長部を有したスピンドルに接続されることを特徴とする測定プローブの支持物が提供される。
本発明は位置測定装置(ＣＭＭ)に用いられる測定装置に関して以下に説明される。しかし、これは本発明の１つの可能な適用の例であり、本発明を限定することを意図したものではない。本発明は要素の相対的な回転が要求される部分、例えば、光学部品の回転支持のようないずれの装置にも適用することができる。この光学部品は、英国特許出願番号ＧＢ００１９１９９．９に記載される類のできる限り正確な回転を要求されるものである。
図面を参照して本発明を説明する。
図１において、プローブ２が示され、このプローブ２は測定されるべき物に接触するためのスタイラス４を有する。通常、使用の際には、ＣＭＭのクイル８が直交する３つの軸のいずれかに沿って動かされてスタイラス４が物に接触する。そして、３つの軸に関するクイル８の位置は上記の物の寸法を定めるのに用いられる。
上記３つの軸の他、プローブヘッド６がクイルとプローブの間でクイル８に取り付けられて手首構成を有し、この手首構成によってさらにプローブの動きに関する２つの回転軸が加えられる。このプローブの動きは、鉛直面内での回転"Ａ"と水平面内での回転"Ｂ"である。モータＭAおよびＭBは上記２軸に関する回転のためのトルクを与え、これにより、プローブヘッド６を動作させてクイル８の動作とともにまたはこの動作を伴わずに測定を行なうことができる。
上記ヘッドの連結によって、プローブのより複雑な動きが可能となる。例えば、スタイラスを孔の周囲のらせん状経路を移動させることにより上記孔の真円度をその長さ方向に沿って測定することができる。スタイラスの位置は既知のスタイラスの回転位置と、３つのＣＭＭ軸の読みから計算することができる。
このようなプローブの回転動作は、プローブにおけるベアリングの正確でかつ反復性のある動きを必要とする。本実施例では、プローブは、水平スピンドル１６に保持されたキャリジ１４に装着される。このスピンドル１６はその夫々の端部にベアリングアセンブリを有し、それらのアセンブリはヘッド６の下ハウジング１２に接続されている。下ハウジング１２はヘッド６の上ハウジング１０における鉛直スピンドル１８に接続される。このスピンドル１８も２つのベアリングアセンブリを有している。
水平スピンドル１６は下ハウジング１２に対して回転できるものである。回転は構成要素２０および２８と、２２および２９とを有した２つのベアリングアセンブリを用いることによって実現される。ボール２０および２２の形態の雄ベアリング要素はスピンドル１６の端部に(例えば接着剤を用いて)固定される。夫々のボールはそれぞれ雄要素受け入れ用開口を有した支え２８および２９の形態の雌要素に収容され、これにより、スピンドルについて唯一可能な動作が回転"Ａ"となる。同様にして、下ハウジング１２はスピンドル１８を介して回転可能に装着される。その２つのベアリングアセンブリは、開口を有する支え３０および３２の形態の雌要素に収容されるボール２４および２６の形態の雄要素を有するものとして示されている。これらによって回転"Ｂ"が可能となる。
ボール２０、２２、２４および２６は、公知の技術によってきわめて正確に、すなわち、全体として０．１６ミクロン未満の公差の真円度で製造することができる。この正確な球状によってプローブの回転における正確な動きが可能となる。これらのボールは、セラミック、鋼玉石または鋼材料のものとすることができる。
スピンドル１６および１８の夫々は、固定支え、すなわちそれぞれ支え２９および３０と、可動支え、すなわち支え２８および３２を有する。固定支えはその取付け部に対して固定された関係で保持され、一方、可動支えはその関連する回転軸の方向に弾性的に動くことができる。
電力および信号の経路がａ，ｂ，ｃ，ｄおよびｅとして示される。経路ａによってモータＭAに電力が供給され、これによりスピンドル１６(従ってプローブ２)を軸Ａに関して回転させることができる。実際には、この回転は１８０度までの円弧状の軸周りの回転となる。経路ｂによってモータＭBに電力が供給され、これによりスピンドル１８(従って下ハウジング１２およびプローブ２)を軸Ｂに関して回転させることができる。実際には、この回転を継続させることにより円弧状の前後への軸周りの回転を行なう必要をなくすことができる。
スピンドル１６および１８の回転位置は、それぞれロータリーエンコーダ８６および８８によって定めることができる。経路ｅおよびｃはこれらのエンコーダ信号用のものである。
経路ａ，ｄおよびｅにはロータリーカップリング９０があり、その２つの半分は、滑り接触するもの(例えば、スリップリングを用いたもの)、または非接触タイプのもの(例えば、容量性、誘導性、赤外線、光学的または高周波の連結)とすることができる。このロータリーカプリングによって下ハウジング１２を上ハウジング１０に対して連続的に回転させることが可能となる。
図２に支え２８および２９の形態が示される。ねじを装着するための穴３４が示され、同様に、ボール２０または２２を受けるための中央部における３角形の開口４０が示される。支え２８は、弾性的に動くことができるよう薄板、例えば属性として弾力のあるバネのような性質を持った鋼材または他の平らな材料によって形成される。支え２８は、以下に説明されるようにアセンブリにおいて前もって荷重が付与されてもよいが、荷重によって曲がることができるように構成される。
製造の簡略化のため支え２９は支え２８と同じものとすることができるが、(図示されるように)曲がらないよう装着される。または、より厚い材料を用いることもできる。あるいは、支え２９は下ハウジング１２と一体であってもよい。
本構造において、３つのボール接触部３６は開口４０の３つの辺上に形成される。これらの部分は湾曲した面により形成され、それらの面の半径はボール２０または２２の半径より大きなものである。部分３８はボールと接触しない。上記接触部の形成は、ボール２０よりわずかに大きな半径のボールを３角形の凹部に押しこむことによって行なわれる。この凹部は摩擦低減材がコーティングされていてもよい。ボールもまた摩擦低減材によってコーティングされていてもよいが、その過程においてその真円度が損なわれることがあり、好ましくはない。
図３は図２におけるIII−III線断面図である。図３において、支え２８は荷重がかけられた状態で示されている。この状態で支え２８は変形し、それぞれの部分３６は荷重がかけられていない状態から回転軸に対して同じ量だけ動かされている。それぞれの部分３６の表面の曲率によって接触点４２が定められることに注意すべきである。この接触点を部分３６の中央に位置させるため、その表面は支え２８が荷重を受けたときにそれに適合した半径を有するよう形成される。荷重は、アセンブリにおける支えに対し予備荷重として付与されようにすることもできる。
ボール２０の中心と支え２８の接するその接触点４２との間の線を回転することによって生成される円錐は円錐角θを有し、この角度θを選択することにより、回転摩擦を最小にし、ベアリングの半径方向剛性を維持し、また、ボールの抜けを防止することができる。２０度から１７５度の間の角度であれば、いずれの角度で用いることができるが、約８０度が適切であることがわかっている。
ボール接触部３６はボールでなく円錐を支えに押し込むことにより形成してもよく、これにより、部分的に円錐形の接触部を生成することができる。この場合においても点接触が実現される。
図４に固定支え２９の詳細が示される。この支えは、図３に示した支え２８とはわずかに違う態様で製造することもできる。支え２９はその使用時に変形しないが、下ハウジング１２に比較的固定的に保持される。接触面３６もまたボールの半径よりわずかに大きな半径で形成されるが、この支えはその半径が形成されるのに変形することはない。円錐角θは支え２８について形成されるものとほとんど同じものとすることができる。
再び図１を参照すると、スピンドル１８は支え３０と３２との間において装着される。スピンドル１８の延長部１９は下ハウジング１２を保持する。ボール２４、２６およびそれらの支え３０、３２の構造の原理は、ボール２０、２２およびそれらの支え２８、２９について上記で説明したものと同じである。ただし、ボール２４は他のものより大きい。これは、ボール２４が下ハウジング１２の荷重を支えるものであり、従ってより大きな強度を必要とし、また、ボール２４はスピンドル延長部１９を収容しなければならないからである。この構成において、支え３０は固定され、支え３２は変形可能なものである。支え３２は上述した態様で予備荷重がかけられる。円錐角は同様のものとする。ロータリーカップリング９０とともに、ベアリング２４／３０を通る延長部１９を用いることにより、下ハウジング１２およびそれに関連した要素の連続的な回転が可能となる。
スピンドル１８と支え３０および３２の配置によって、熱の影響に対して許容度を持ったものとなる。これは、ＣＭＭクイル８の下側の端部は支え３０とボール２４が接触する平面に近いからである。要するに、ハウジング１０の熱による伸びはハウジング１２の位置を著しく変更することはない。何故なら、ＣＭＭクイルと上記平面との間の幅にはほとんど物質がないからである。
このことは、上ハウジング１０の寸法が熱の影響によってどのように変化しても、実質的にスタイラス４の位置を変更することはないことを意味する。
上ハウジング１０用のベアリング装置の他の構成が図５に示される。この装置は固定支え３０を上部に備え、変形可能な支え３２を下部に備えるものである。
図６Ａ−６Ｆは、ボールおよび支えの構成のいくつかの変形例を示している。容易に同一のものがわかるように、固定支えは５０で、変形可能な支えは５５で、相対的に回転可能な要素は６０および６５でそれぞれ参照される。これらの全ての変形例は本発明の範囲内のものである。
図７はベアリング要素の他の構成を示すものである。この構成では、ボール２０および２２はそれぞれボールレースベアリング８０において支持される。レース８０は、一方支え２８'および２９'によって保持される。上述したように、支え２８'はいくらかの軸方向の動きを可能とするものであり、支え２９'は比較的固定的なものである。予備荷重が上述したように支えとボールに付与される。ボールレース８０を用いることにより、摩擦を減らすことができる。支え２８'および２９'はボールレース８０を保持するのに３角形の穴を必要としない。
図７に示される参照符号は図１における水平軸に関するものであるが、同様の“ボールレース"構造は図１に示される実施例の鉛直軸ベアリングにも適用することができる。
ボールおよび支えの他の構造が図８に示される。本実施形態では、支え２８、２９、３０、３２にはフランジがつけられ、これにより、ボール２０、２２、２４、２６を収容することができる。ボールは環状の低摩擦のカラー８２上に静止し、このカラーは、Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．セラミックまたは同様の低摩擦材料で製造することができる。カラーは同様の材料の３つのパッドに置きかえることもできる。いずれの場合も、カラーまたはパッドは接着剤によって支えに固定することができる。
ボールおよび支えのさらに他の構造が図９に示される。本実施例では、支え２８、２９、３０、３２はその上に弾性的に変形できるブロックを接着したものである。このブロックは、例えば、Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．あるいは他の低摩擦プラスチック、または油を含浸した焼結物の材料からなり、円錐状の凹部を有したものである。この凹部はボール２０、２２、２４、２６を収容する。ブロックの弾性的特性は、ボールの真円度がわずかにずれていてもそれを吸収し、ブロックとボールの相対的な回転はボールのみの回転より正確な回転となる。
ボールおよび支えの構造のさらに他の実施例が図１０および１１に示される。それぞれの図において、ボール２０、２２、２４、２６は、Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．あるいは同４の材料のプラスチックのインサート８５によって支持され、このインサートは外カラー９０内で支持される。図１０に示すボールは円筒状の凹部９２内で支持され、図１１に示すボールは円錐状の凹部９４内で支持される。また、プラスチックのインサートは、荷重がかけられた状態ではボールの形状に応じて弾性的に歪み、それらの相対的な回転の間、ボールの真円度のどのようなずれをも吸収して正確な回転運動が可能となる。
当業者にとって種々の変形例や拡張は明らかなものである。例えば、球状のベアリングと３角形の開口が示されたけれども、本発明の範囲内では、雄要素と雌要素との間の滑り接触はどのような構成でもある平面内で行なわれることになる。この平面は、示された実施例では回転軸に垂直となるが、例えば、支え２８および２９が上記垂直に対してずれた平面内にあり、また、ボール２０および２２が用いられる場合には、そうでなくすることも可能である。
同じように、示された支えは、本発明によれば、簡単に、凹部、例えば円形の穴、環状の凹部、３面凹部、多角形の穴あるいは同様のものとすることができ、ハウジング１２または１０、あるいは割れ目のある板のインサートの形態のものに直接形成されてもよい。支えばスピンドル１６または１８に形成されてもよく、その場合、雌要素はハウジング１０または１２に取り付けられることになる。
雄要素はどのような形にすることもできる。例えば、回転楕円、楕円形、円錐状、３面体、多角形のものである。雄要素が円形状でない場合は、支えは円形でなければならない。逆の場合も同じである。支えまたは雄要素が円形状でない場合は、これら２つの間では離れた数点で接触が行なわれ、これらの点もまた平面上にある。
それぞれのベアリングアセンブリの雄／雌要素はその構造が異なっていてもよい。
ボールが支えと滑り接触するそれぞれの位置は開口の辺として説明したが、凹部、例えば支えにおける低摩擦インサートの小平面が形成された凹部の辺とすることもできる。接触は開口や凹部の縁で行なわれてもよい。
また、スピンドル１６および１８はそれらの回転軸から大きく動かないよう拘束されるようにし、これにより、万一支えとの合わせ位置から強制的に外されるようなことがあっても、支えの１つの弾性によって合わせ位置に押し戻されるようにしてもよい。
上述した各実施例は、従来技術に対して一定の利点を有している。特に、上記の各実施例によれば、上述した構成部品の摩損および／または寸法の変化があっても、正確度や再現性が顕著に低下すること、すなわち、スタイラスの位置が顕著に変化することはない。
例えば、ボール２０と２２との間の寸法の変化は、支え２８の弾性的な動きによって調整することができる。この動きによって支え２８とボール２０との間の全ての接触点は軸Ａに沿って同じ量移動し、従って、軸Ａの位置はこの弾性移動の結果として変化することはない。スタイラスは軸Ａと平行にわずかに動くが、その移動はボール２０と２２との間の寸法の変化と比べて小さい(約半分)となる。
スタイラスの位置安定性は、固定支え２９を備えることによっても実現されるものである。固定支えよってスピンドル１６を軸Ａ上の一点に遊びのないよう位置決めすることができる。
上ハウジング１０におけるベアリング３０／２４および３２／２６についても同様の利点を得ることができる。同様に、図６Ａ−Ｆに示した変形例も上節で述べた利点を得ることができる。
プローブおよび本発明を採用した継手連結できるプローブ手首を示す図である。 図１に示した部品の詳細をを示す図である。 図２におけるIII−III線断面図である。 図１に示す要素のさらなる詳細を示す図である。 図１に示した部品のいくつかについて他の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 本発明によるベアリングの種々の構成を示す図である。 図１に示されるいくつかの要素のさらなる他の構成を示す図である。 図１に示されるいくつかの要素の他の構成を示す図である。 図１に示されるいくつかの要素の他の構成を示す図である。 図１に示されるいくつかの要素の他の構成を示す図である。 図１に示されるいくつかの要素の他の構成を示す図である。

Claims (15)

  1. ベアリング装置において、
    軸を有した回転要素の前記軸上に位置する２つのベアリングアセンブリを具え、
    それぞれのベアリングアセンブリは、前記回転要素に取り付けられた第1要素と、相対的な回転の間前記第1要素と滑り接触する第２要素と、の２つの要素を有し、
    それぞれのベアリングアセンブリにおいて、前記第１要素と第２要素との接触は複数の接触点を含む平面内で生じ、
    前記アセンブリの１つではその接触平面の弾性変位が可能であり、他方のアセンブリでは固定されてその接触平面の変位が防止されることを特徴とするベアリング装置。
  2. 前記接触平面の変位は、前記軸に対して平行な方向にのみ生じることが許されることを特徴とする請求項１に記載のベアリング装置。
  3. ベアリング装置において、
    軸を有した回転要素の前記軸上に位置する２つのベアリングアセンブリを具え、
    それぞれのベアリングアセンブリは、前記回転要素に取り付けられた第1要素と、相対的な回転の間前記第1要素と滑り接触する第２要素と、の２つの要素を有し、
    それぞれのベアリングアセンブリにおいて、前記第１要素と第２要素との接触は複数の接触点を含む平面内で生じ、
    前記アセンブリの少なくとも１つではその接触平面が軸に平行な方向ヘの弾性変位が可能であることを特徴とするベアリング装置。
  4. それぞれのベアリングアセンブリの前記２つの要素は、凹部または開口を有した雌要素と前記凹部または開口に受けいれられることが可能な雄要素とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のベアリング装置。
  5. 前記接触は、前記１つまたは２つのアッセンブリの雌要素と雄要素との間で生じ、および前記平面内の離れた位置で生じることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のベアリング装置。
  6. 前記離れた位置は、前記雌要素にける非円形の凹部または開口と円形の前記雄要素との作用によってもたらされ、または前記雌要素の円形の凹部または開口と非円形の雄要素との作用によってもたらされることを特徴とする請求項５に記載のベアリング装置。
  7. 前記２つの要素の少なくとも１つはプラスチック材料で形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のベアリング装置。
  8. 前記プラスチック材料は外カラー内のインサートとして形成されることを特徴とする請求項７に記載のベアリング装置。
  9. 前記平面の弾性変位は弾性的に動くことができる雌要素によってもたらされることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のベアリング装置。
  10. 前記雌要素は、平らなバネ支えを含むことを特徴とする請求項９に記載のベアリング装置。
  11. 測定プローブの支持物において、
    請求項１ないし１０のいずれかに記載のベアリング装置を含む軸を有したことを特徴とする測定プローブの支持物。
  12. 測定プローブの支持物において、
    プローブの回転に関する２つの軸を定める連結手首を具え、第１の軸で請求項１ないし１０のいずれかに記載のベアリング装置が設けられ、該ベアリング装置の前記回転要素は前記第１軸の方向に当該ベアリング装置を越えて延在する延長部を有したスピンドルに接続されることを特徴とする測定プローブの支持物。
  13. 前記延長部は、前記第１の軸を横断するプローブの第２の軸を定める他のベアリング装置に接続されることを特徴とする請求項１２に記載の測定プローブの支持物。
  14. 電力および信号の経路が備えられ、その経路の少なくとも１つは前記第１軸に関して配されるロータリーカップリングを横断することを特徴とする請求項１３に記載の測定プローブの支持物。
  15. 前記ベアリング装置は凹部内のボールとこのボールを越えて延在する延長部を具えることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載の測定プローブの支持物。
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