JP6824102B2 - ベルト駆動による軸方向移動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ベルト駆動による軸方向移動装置に関する。
従来、タイミングベルトを用いた軸方向移動装置として、クローズドベルト型のものとオープンベルト型のものが知られている。いずれも、直線状のガイドと、該ガイドに沿って案内されるスライダと、スライダを移動させる駆動機構とを備えた往復移動装置であり、タイミングベルトを伝動手段として用いたベルト駆動機構を有している。
前者のクローズドベルト型の軸方向移動装置は、各種の測定機にも広く使われているが、クローズドベルトを伝動手段とするために駆動側および従動側の2つのプーリーを互いに離して配置するという構成になり、装置構成が複雑である。
一方、後者のオープンベルト型の軸方向移動装置では、例えば特許文献1の図14のように、タイミングベルトが直線状のガイドに沿って配置され、該ベルトの両端(オープンエンド)がガイドの各端部に固定されている。また、ガイドに沿って直動するスライダには、タイミングベルトの歯面と係合する駆動プーリーが設けられている。駆動プーリーは、タイミングベルトとガイドの間に配置され、タイミングベルトの歯面と駆動プーリーの外周面とが噛み合った状態になる。また、スライダには、駆動プーリーに対するタイミングベルトの巻付け角が大きくなるように、一対の補助プーリーが設けられ、タイミングベルトの動作方向を規定している。
いずれの軸方向移動装置も、駆動プーリーの回転方向の切換えによって、スライダの前進と後退を選択できる。
特開2016‐90052号公報(図14)
発明者らは、特許文献1のオープンベルト型の軸方向移動装置を、座標測定機、画像測定機および形状測定機における軸方向移動装置に適用させるべく、開発を進めてきた。
図11には、測定子を備えた測定ヘッドを上下方向に移動させるためのZ軸移動装置として、オープンベルト型の軸方向移動装置を適用した場合の構成を模式的に示す。本書では、Z軸移動装置において上下方向に案内される長尺状のスライダを、特に「スピンドル」と呼び、図11の該スピンドル2の下端に測定ヘッドが設けられる。
図11の例では、測定機のY軸移動装置が、Yビーム3に設けられたYガイド3A(ガイドレールおよび直動ベアリングユニット)と、該Yガイド3AによってY軸方向に案内支持されるYスライダ4とで構成される。このYスライダ4にZ軸移動装置1が搭載されている。このZ軸移動装置1は、Yスライダ4に設けられたZガイド5と、Zガイド5によってZ軸方向に案内されるスピンドル2と、Yスライダ4に設けられてスピンドル2を上下動させるベルト駆動部6と、を備える。スピンドル2の上下方向の寸法は、Zガイド5が有する案内機構の上下方向の寸法よりも長い。ベルト駆動部6は、スピンドル2の移動方向に沿って配置されたオープンベルト7と、オープンベルト7に駆動力を伝達する駆動プーリー8と、駆動プーリー8に対するオープンベルト7の巻き角を大きくするための補助プーリー8Aと、を有しており、オープンベルト7の両端部は、スピンドル2にそれぞれ保持されている。
また、オープンベルト7の両オープンエンドが、スピンドル2上のZ軸方向に離れた2箇所に設けられたベルト保持部2A,2Bにそれぞれ保持されており、更に、オープンベルト7が、ベルト駆動部6の駆動プーリー8に掛けられた状態になっている。ベルト保持部2A,2Bの間隔は、少なくともスピンドル2の移動距離よりも大きい。
このように構成されたZ軸移動装置1では、駆動プーリー8の回転駆動力によってオープンベルト7が上下方向に送られると、その回転方向に応じてスピンドル2が、上昇または下降する。
オープンベルト型のメリットは、装置を簡素化できることである。オープンベルト型のZ軸移動装置の具体的としては、同出願人が既に出願している特願2016‐222755号の明細書に記載したZ軸移動装置の構成を参照することができる。
しかしながら、発明者らは、測定機の軸方向移動装置を図11の構成にしただけでは満足せず、更に、測定機の測定精度の向上のために検討を続けた。
まず、図11の構成では、オープンベルト7は、歯とびを防止する目的で、テンションが作用した状態でスピンドル2に固定されている。これを初期テンションと呼ぶ。
スピンドル2上の2箇所のベルト保持部2A、2Bは、その初期テンションをそれぞれ受けるが、スピンドル2の中間部分は、Zガイド5の案内機構によってX軸方向への移動を規制されている。従って、スピンドル2の上側のベルト保持部2Aが、Zガイド5の案内機構よりも上に出ている場合、上側のベルト保持部2AをX軸正方向へ変位させるような曲げモーメントがスピンドル2に作用する。同様に、スピンドル2の下側のベルト保持部2Bが、Zガイド5の案内機構よりも下に出ている場合、下側のベルト保持部2BをX軸正方向へ変位させるような曲げモーメントがスピンドル2に作用する。スピンドル2は曲げモーメントが作用すると、図11上で左側に膨らむように曲がる。以下、この曲がり方をX軸正方向に曲がると呼ぶ。
Z軸移動装置1のZガイド5はスピンドル2を上下方向に案内するとは言え、Zガイド5がスピンドル2の自重を支えている訳ではない。スピンドル2の自重は、オープンベルト7を介して、ベルト駆動部6の駆動プーリー8の負荷になる。そのため、駆動プーリー8は、その下方にあるベルトを引き上げる方向にトルクを出力し続けて、下側のベルト保持部2Bを引っ張る力を大きくする。これにより、スピンドル2の自重が打ち消されてスピンドル2のZ軸方向の位置を維持するが、ベルト保持部2Bが受ける力が増すことで、スピンドル2の曲げ変形量も大きくなる。スピンドル2の自重を保持するために、ベルト保持部2Bに加えられる力をFZGで表す。
次に、スピンドル2を昇降させる際について、図12,13を用いて説明する。スピンドル2のガイドレールとZガイド5との摩擦抵抗を無視すれば、スピンドル2をZ軸正方向へ移動(上昇)させる際は、図12のように、駆動プーリーの出力トルクを増やして、下側のベルト保持部2Bに、スピンドル2をZ軸正方向へ加速させる力FZACCと、スピンドル2の自重を保持する力FZGとの和の力(FZACC+FZG)が加わるようにする。これにより、スピンドル2は加速して上昇速度を得るが、ベルト保持部2Bが受ける力が増すことで、スピンドル2の曲げ変形量は更に大きくなる。
一方、スピンドル2をZ軸負方向へ移動(下降)させる際は、図13のように、駆動プーリーの出力トルクを減らして、下端のベルト保持部2Bに、スピンドル2をZ軸負方向へ加速させる力FZACCと、上記のスピンドル2の自重を保持する力FZGとの差の力(FZG−FZACC)が加わるようにする。これにより、スピンドル2は加速して下降速度を得るが、ベルト保持部2Bが受ける力が減ることで、スピンドル2の曲げ変形量はその分だけ小さくなる。
このように、スピンドル2の移動方向によって、スピンドル2の下端のベルト保持部2Bに作用する力が異なる。そして、ベルト保持部2Bは、Zガイド5の案内機構よりも常に下に位置している状態なので、スピンドル2の移動方向によって、スピンドル2のベルト保持部2Bに作用する曲げモーメントの大きさも異なる。その結果、スピンドル2の上下方向の位置が同じであっても、スピンドル2を上昇させる場合と下降させる場合とで、スピンドル2の曲げ変形量が異なり、スピンドル2の下端のX軸方向の位置が相違してしまうことになる。
測定機の測定精度をより向上させるには、上記のような相違を無くしたい。
測定機が、スピンドル2を上昇させながら測定ヘッドの測定子でワークを測定した場合(図12)と、下降させながら測定した場合(図13)とで、測定ヘッド自体のX軸方向の位置が異なれば、ワークの同一点の測定結果に差が生じて、測定結果が悪化する。
図11〜13を用いた上記の説明では、スピンドルを昇降させる軸方向移動装置の構成についての課題を説明したが、傾斜方向や水平方向に移動させる軸方向移動装置の構成においても、ガイドと長尺状スライドとによる機構が共通する限り、同様の課題が生じる。
また、測定機が設置されている環境温度が上昇すると、スピンドルとオープンベルトとは共に膨張する。スピンドルは一般的に金属製であるが、オープンベルトは一般的に産業用品として使われているグラスファイバー入りのゴム製である場合が多い。このような素材の相違で、スピンドルの膨張量に対してオープンベルトの膨張量は小さくなる。この結果、図14に示すように、環境温度が高くなると、バイメタル効果によってスピンドルがX軸正方向に曲がってしまう。その結果、測定機の測定結果に影響を及ぼしてしまう。
従って、本発明の目的は、ベルト駆動による軸方向移動装置において、ガイドに対してスピンドルを一方に移動させる場合と、反対方向に移動させる場合とで、その移動方向に直交する方向へのスピンドルの端部の変位量の差を小さくすることである。
或いは、ベルト駆動による軸方向移動装置において、長尺状スライダとオープンベルトとの間に上記のバイメタル効果を発生させないことで、環境温度が変化しても、移動方向に直交する方向への長尺状スライダの端部の位置が動かないようにすることである。
更に、長尺状スライダの先端に測定ヘッドを設けて測定機の軸方向移動装置として用いることで、測定機の測定精度を向上させることである。
上記の課題を解決するため、本発明に係る軸方向移動装置は、
ガイド部と、該ガイド部によって案内される長尺状スライダ部と、前記ガイド部に対して前記長尺状スライダ部を移動させるベルト駆動部とを備える軸方向移動装置であって、
前記長尺状スライダ部の形状は、前記ガイド部の案内機構よりも移動方向に長く、
前記ベルト駆動部は、
前記長尺状スライダ部の移動方向に沿って配置されたオープンベルトと、
前記オープンベルトに駆動力を伝達する駆動プーリーと、
前記長尺状スライダ部の移動方向に沿って配置されたテンションバーと、を有し、
前記テンションバーは、前記オープンベルトの各端部をそれぞれ保持するベルト保持部を有し、該各端部をそれぞれ保持するベルト保持部の中間位置において、該テンションバーが前記長尺状スライダ部に接続されていることを特徴とする。
この構成では、ベルト保持部を長尺状スライダ部にではなく、その移動方向に沿って配置したテンションバーに設けている。このテンションバーは、長尺状スライダ部に接続されている。このように、オープンベルトの両端部は、長尺状スライダ部に直接的に保持されないので、オープンベルトが伝達する駆動力は、テンションバーを介在して、長尺状スライダ部に伝わり、長尺状スライダがテンションバーと一体となって移動する。
テンションバーにおいて、ベルト保持部を移動方向に離して配置し、これらベルト保持部の中間位置において、テンションバーと長尺状スライダ部とを連結した。従って、テンションバーの各ベルト保持部には、オープンベルトの初期テンションに起因する曲げモーメントが作用して、テンションバーが変形し、テンションバーの両端付近(各ベルト保持部の位置)が移動方向に直交する方向へ変位することになる。一方、長尺状スライダ部は、ガイド部によって移動方向に直交する方向への変位の規制を受けており、テンションバーとの接続部分がテンションバーの中間部分になっているため、テンションバーのようには変形しない。
なお、テンションバーと長尺状スライダ部との接続部分は、できる限りテンションバー上の1箇所に集中させた方がよい。より好ましくは、この接続部分は1箇所である。また、接続部分をテンションバーの長手方向の略中央に設ければ、テンションバーの熱膨張による移動方向への変位も抑えられて、好ましい。
以上のように、テンションバーが曲げモーメントによって変形しても、長尺状スライダ部はほとんど変形しない。よって、長尺状スライダ部の上昇時と下降時とで異なる大きさのテンションがベルト保持部に作用しても、テンションバーの変形量が変わるだけで済み、長尺状スライダ部はほとんどその影響を受けない。
また、軸方向移動装置が設置されている環境温度が上昇すると、長尺状スライダ部、テンションバーおよびオープンベルトがそれぞれ膨張する。ここで、オープンベルトは、通常は、ゴム製であり、テンションバーは、通常は金属製になる。両者はベルト保持部で接続されているから、図14の従来型と同様に、環境温度が上昇すると、金属とゴムの膨張係数の差によるバイメタル効果によってテンションバーが曲がる。しかし、テンションバーと長尺状スライダ部とはテンションバーの中間部分で連結しているので、テンションバーが変形しても、長尺状スライダ部にはほとんど影響を及ぼさない。なお、テンションバーと長尺状スライダ部の材質が相違する場合もあるが、テンションバーと長尺状スライダ部との接続部分がテンションバーの中間部分であるので、熱膨張量の差があっても、互いに影響し合うことはない。
このような理由で、長尺状スライダの移動方向に応じて、ベルト保持部に作用するテンションが異なるとしても、その差が長尺状スライダ部の端部の位置に与える影響は非常に小さくなり、同様に、環境温度の変化による上記のバイメタル効果が長尺状スライダ部の端部の位置に与える影響も非常に小さくなる。
また、前記長尺状スライダ部の移動方向が昇降方向であることが好ましい。
また、前記テンションバーが、移動方向に直交する平面での断面において、前記オープンベルトから受けるテンションに対して座屈変形しない程度の剛性を持つような形状を有することが好ましい。この構成によれば、テンションバーが、例えばコ字状のような断面形状を有することで、テンションバーの断面二次モーメントが大きくなり、座屈方向の剛性が高まるとともに、テンションバーを肉厚にするよりもコ字状断面にする方がテンションバー自体を軽量にすることができる。
また、前記テンションバーおよび前記長尺状スライダの接続部分が、移動方向に直交する平面上において、前記長尺状スライダの重心に近い位置に配置されていることが好ましい。この構成によれば、長尺状スライダの重心に近い点に、駆動プーリーからの駆動力が伝達されて、長尺状スライダの移動中の振動抑制効果が得られる。例えば、テンションバーとスライダの接続部分が、スライダの外周面よりも重心に近い位置に配置されるように、スライダの外周面の一部にテンションバーが丸ごと収容できる程度の凹部を設けるなどするとよい。
本発明に係る測定機は、上記の軸方向移動装置を測定子の軸方向移動装置として搭載しており、前記長尺状スライダの先端に前記測定子が取り付けられていることを特徴とする。この構成によれば、長尺状スライダの先端に測定プローブなどの測定子を取り付けて往復移動させるような動作において、前進の際と後退の際とで、測定子の位置に差が生じることを抑制することができる。また、環境温度が変化しても、測定子の位置が変化することを抑制することができる。その結果、移動方向が異なっても、また、環境温度が変化しても、良好な測定値が得られる。
本発明の構成によれば、ベルト駆動による軸方向移動装置において、ガイドに対して長尺状スライダを一方向に移動させる場合と、反対方向に移動させる場合とで、その移動方向に直交する方向への長尺状スライダの端部の変位量の差が小さくなる。或いは、環境温度が変化しても、長尺状スライダとオープンベルトとの間に各素材の膨張係数の差によるバイメタル効果が発生せず、移動方向に直交する方向への長尺状スライダの端部の位置の変化が小さくなる。また、上記の軸方向移動装置を測定子の移動手段として測定機に搭載したことで、測定機の測定精度を向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る三次元座標測定機の全体外観図である。 第一実施形態に係るZ軸移動装置の構成を側方から見た模式図である。 前記Z軸移動装置のスピンドルがベルトテンションの影響を受けない原理を説明するための図。 前記Z軸移動装置のスピンドルが環境温度の変化の影響を受けない原理を説明するための図。 第二実施形態に係るZ軸移動装置の横断面を示す模式図。 第三実施形態に係るZ軸移動装置の横断面を示す模式図。 テンションバー無しの場合の被測定物の測定結果を示すグラフ。 テンションバー有りの場合の被測定物の測定結果を示すグラフ。 図7,8の測定結果について、上昇時および下降時のX軸方向の各変位量の差を比較して示したグラフである。 変形例に係る三次元座標測定機の概略構成を示す斜視図である。 従来のZ軸移動装置の構成を側方から見た模式図。 従来のZ軸移動装置のスピンドルが上昇時に受ける曲げの影響の説明図。 従来のZ軸移動装置のスピンドルが下降時に受ける曲げの影響の説明図。 従来のZ軸移動装置のスピンドルが温度変化時に受ける影響の説明図。
以下、図面に基づき本発明に係るベルト駆動による軸方向移動装置、これを備えた測定機についての実施の形態について説明する。図1は、三次元座標測定機100の構成の一例を示す斜視図である。ここでは、軸方向移動装置としてX軸方向の門型スライダを有する三次元座標測定機を例示するが、他にも、門固定型で移動テーブルと組み合わせて構成されたもの、2mを超える門幅の大型スライダを有するもの、X軸スライダにY軸方向の片持ち梁を搭載して構成されたもの等、各種の三次元座標測定機に適用できる。
図1に示すように、測定機100は、ベース110と、X軸方向に移動可能な門型スライダ120と、この門型スライダ120の一方の脚部30Aの下部に設けられたXガイド130と、門型スライダ120の横梁部分であるYビーム30に沿って移動するYスライダ140と、このYスライダ140をY軸方向に案内するYガイド150と、該Yスライダ140に対して昇降自在に設けられたスピンドル20と、このスピンドル20の下端に設けられた測定ヘッド160と、設置台170とを備えて構成される。
ベース110の上面の一方の縁側に設けられたXガイド130と、これによってX軸方向に移動自在なXスライダ(不図示)とは、X軸移動装置を構成する。また、門型スライダ120のYビーム30に設けられたYガイド150と、Yスライダ140とは、Y軸移動装置を構成する。また、Yスライダ140に搭載されたZガイド(不図示)と、スピンドル20とは、Z軸移動装置を構成する。スピンドル20は、上下方向に延びた長尺状の部材であり、その下端の測定ヘッド160には、測定目的に応じた測定子(例えば、接触型の測定プローブ162)が設けられる。
設置台170上に設置されたベース110は、石材・鋳鉄・コンクリート製などの定盤であり、その上面には被測定物(ワーク)Wが載置される。なお、同じ門移動型ではあるが、定盤のないガントリー型にも本発明の軸方向移動装置を適用できる。
このように構成された座標測定機100は、測定プローブ162の先端の接触子がベース110上の被測定物に接触した際のXスライダ、Yスライダ140およびスピンドル20の各移動位置を読み取って、被測定物の表面の位置座標を算出し、被測定物の表面形状データを測定者に提供することができる。
<第一実施形態>
次に、本実施形態に係るZ軸移動装置の模式図を図2に示す。Z軸移動装置10は、Yガイド(直動ベアリングユニット152及びガイドレール154)によってYビーム30の長手方向に案内支持されたYスライダ140に搭載されている。Z軸移動装置10は、Yスライダ140に設けられたZガイド50と、該Zガイド50によって上下方向に案内されるスピンドル20と、Yスライダ140に設けられてスピンドル20を移動させるZ駆動部60と、を有し、スピンドル20を昇降させる。
Zガイド50は、スピンドルの表面(Y軸正方向およびY軸負方向の各側面)上にZ軸方向に沿って形成されたガイドレール54と、各ガイドレール54を直動自在な直動ベアリングユニット52と、から構成される。各直動ベアリングユニット52をYスライダ140に固定することで、固定側となるYスライダ140に対して、移動側であるスピンドル20を上下方向に案内することができる。
なお、Zガイド50として、機械的な接触による直動ベアリング機構を用いる場合を説明したが、これに代えて、エアーベアリング機構を用いてもよい。エアーベアリング機構の場合は、複数のエアーパッドをスピンドル20を挟むように配置して、エアーパッドとスピンドル20表面との間に空気層を形成し、スピンドル20を非接触で案内することができる。
Z駆動部60は、ベルト駆動機構であり、オープンベルト70と、駆動プーリー80と、一対の補助プーリー80A,80Bと、テンションバー90とを有して構成される。
本発明に特徴的なテンションバー90は、少なくともZガイド50の直動ベアリングユニット52よりも上側の位置からその下側の位置まで、スピンドル20の移動方向に略平行に設けられている。そして、テンションバー90の長尺方向の略中央に設けられた1箇所の接続部分90Cによって、テンションバー90とスピンドル20とが連結している。なお、スピンドル20のZ軸方向における重心高さに上記の接続部分90Cを設けることが好ましい。また、スピンドル20が下限位置にある場合に、上記の接続部分90Cが、Zガイド50の案内機構(直動ボールベアリング機構など)のZ軸方向の範囲内に位置していることが好ましい。
オープンベルト70は、スピンドル20の移動方向に沿って配置されている。オープンベルト70の一方の端部(オープンエンド)は、少なくともZガイド50よりも上側の位置で、テンションバー90に設けられたベルト保持部90Aによって保持され、他方の端部は、少なくともZガイド50よりも下側の位置で、テンションバー90に設けられたベルト保持部90Bによって保持されている。
駆動プーリー80は、Yスライダ40に設けられた軸受部によって軸支され、モータの回転駆動力で正逆両方向に回転駆動する。一対の補助プーリー80A,80Bは、駆動プーリー80の上下に、少しテンションバー側にオフセットした位置にそれぞれ軸受部によって軸支されている。
オープンベルト70は、上側のベルト保持部90Aから補助プーリー80Aまで略鉛直下向きに配置され、補助プーリー80Aで向きが変わり、駆動プーリー80に所定の巻き付け角で掛けられて、他方の補助プーリー80Bで再び向きが変わり、補助プーリー80Bから下側のベルト保持部90Bまで略鉛直下向きに配置される。組立の際は、オープンベルト70を引っ張った状態で両端をベルト保持部90A,90Bに保持させて、オープンベルト70に所定の初期テンションを付与する。初期テンションは、オープンベルト70の歯とびを防止する目的で、付与される。図2では、テンションバー90とオープンベルト70間に隙間が設けられているが、ベルト保持部90A,90Bの選択次第で、両者の隙間が無いように、つまり、オープンベルト70の片面がテンションバー90の表面と接触するように配置することもできる。この場合、テンションバー90の表面に、オープンベルト(タイミングベルト)70の凹凸状の歯面と係合する凹凸状の歯面を形成しておけば、両者の一体的な移動が容易となり、スピンドル20の位置決め精度が向上する。
以上のように構成されたZ軸移動装置10において、駆動プーリー80の駆動力は、オープンベルト70を介してテンションバー90に伝達され、さらに接続部分90Cを介してスピンドル20に伝達される。これにより、スピンドル20は、駆動プーリー80の回転方向に応じて上下方向に移動する。
使用するオープンベルト70は、図11の従来型のオープンベルトと同様に、初期テンションが作用している。このテンションを受けて、テンションバー90は変形する。しかし、テンションバー90とスピンドル20とは接続部分90Cの1ヶ所でのみ連結されているため、テンションバー90が変形しても、スピンドル20はほとんど変形しない。
また、スピンドル20を上昇させる際は、図3のように、駆動プーリー80の出力トルクを増加させるので、ベルト保持部90Bが受ける力が増す。一方、スピンドル20を下降させる際は、駆動プーリー80の出力トルクを減少させるので、ベルト保持部90Bが受ける力が減る。このように、スピンドル20の上昇時と下降時とでベルト保持部90Bに異なる大きさのテンションが作用することになっても、テンションバー90とスピンドル20とは接続部分90Cのみで連結されているから、テンションバー90の変形量が異なるだけで、スピンドル20にはほとんど影響しない。
また、座標測定機が設置されている環境温度が上昇すると、スピンドル20、オープンベルト70、テンションバー90共に膨張する。テンションバー90は金属製であり、オープンベルト70は、先行技術と同様に、グラスファイバー入りのゴム製である。したがって、図11の従来型と同様に、テンションバー90の膨張量に対してオープンベルト70の膨張量は小さくなる。これにより、環境温度が上昇すると、バイメタル効果によりテンションバー90がX軸正方向に曲がる(図4)。しかし、テンションバー90とスピンドル20とは接続部分90Cの1ヶ所で固定されているので、テンションバー90が変形しても、スピンドル20にはほとんど影響を及ぼさない。
<第二実施形態>
図5は、本発明の第二実施形態に係るZ軸移動装置について、スピンドル22およびテンションバー92をX-Y平面で切断して示した断面図である。テンションバー92は、オープンベルト72のテンションを支える部品であるため、テンションにより座屈変形しない程度の剛性が必要となる。これを解決するために、テンションバー92の断面形状を図5に示すような、スピンドル側に開いたコの字型とすることにより、オープンベルト72のテンションにより座屈変形しない程度の剛性を持たせることができる。
<第三実施形態>
図6は、本発明の第三実施形態に係るZ軸移動装置について、スピンドル24およびテンションバー94をX-Y平面で切断して示した断面図である。スピンドル22の重心位置(スピンドルの中央)に対して、スピンドル22の駆動点(スピンドルに駆動力が作用する位置)が離れた位置になってしまう。この結果、スピンドル22に駆動力が作用する際にスピンドル22にX軸まわり又はY軸まわりのモーメントが作用して、振動が発生する等、測定結果に影響を及ぼす恐れがある。
本実施形態では、これを解決するために、スピンドル24の外面の一部の断面形状を図6のように段付きの形状にした。これにより、テンションバー94の接続部分94Cをスピンドル24の重心に近づけることができて、結果としてスピンドル24に駆動力が作用する際に、X軸まわり又はY軸まわりのモーメントの発生を軽減させることができる。
ここで、テンションバーの断面形状の変形例を図7に示す。コの字型に代えて、テンションバー96のスピンドル側にZ方向に伸びるヒレ状の部材96Dを形成しても同様の効果が得られる。なお、図7のZ軸移動装置では、スピンドル26が中空状ではなく、中実状の角柱部材で形成されて、その側面にテンションバー96を収納できる大きさの凹部が形成されている。図5〜図7に示すように、本発明に係るZ軸移動装置は、中空状のスピンドルにも、中実状のスピンドルにも適用することができる。
<実施例>
図7〜9を用いて本発明の実施例について説明する。図11のテンションバー無しのZ軸移動装置を備えた座標測定機でのZ軸真直度測定結果を図7に示す。図2のテンションバー有りのZ軸移動装置を搭載した座標測定機でのZ軸真直度測定結果を図8に示す。
図7,8のZ軸真直度測定の被測定物は直定規である。測定の際は、直定規の測定面が座標測定機のY-Z平面になるように、直定規を設置した。まず、直定規の測定面を下から上へ上昇しながら測定を行った。上端まで測定した後、続けて、上から下へ下降しながら測定を行った。データを取得する測定面の各位置は、上昇時と下降時とで同一位置とした。
図7、8ともに、上昇時と下降時とで、測定値がわずかにずれている結果となった。これらの差を明確化するため、上昇時と下降時との差をそれぞれ算出した結果を図9に示す。図9より、テンションバー無しのZ軸移動装置よりも、テンションバー有りのZ軸移動装置を組み込んだ座標測定機の方が、上昇時と下降時の各測定値の差がよりゼロに近い結果であることが分かる。
図11のテンションバー無しのZ軸移動装置を備えた座標測定機が設置された環境温度が変化した場合の熱膨張量を求める。オープンベルト7の両端のベルト保持部2A,2Bの間隔が1000mmであり、スピンドル2の材質がアルミニウム(膨張係数23×10‐6(1/℃))であり、オープンベルト7の材質がグラスファイバー入りのゴム(膨張係数5×10‐6(1/℃))であるとする。
ここで、スピンドル2とオープンベルト7のそれぞれ単独(組立前)での熱膨張量を求める。環境温度が10℃変化した場合、スピンドル2の単体の熱膨張量は、
1000(mm)×23×10‐6(1/℃)×10℃=0.23 mm
となり、オープンベルト7の単体の熱膨張量は、
1000(mm)×5×10‐6(1/℃)×10℃=0.05 mm
となる。スピンドル2単体とオープンベル7単体とで、熱膨張量の差は0.18mmとなる。
従って、スピンドル2とオープンベルト7とが組み立てられた状態で、環境温度が10℃変化する場合には、スピンドル2に比べてオープンベルト7の熱膨張量の方が小さいため、スピンドル2がX軸正向きに反るように変形してしまう。
これに対して、図2の第一実施形態のテンションバー有りのZ軸移動装置を備えた座標測定機の場合、テンションバー90の材質が鉄(膨張係数12×10‐6(1/℃))であるとすると、テンションバー90の単体での変形量は、
1000(mm)×12×10‐6(1/℃)×10℃=0.12 mm
となる。そうすると、テンションバー90単体とオープンベルト70単体とで、熱膨張量の差は0.07mmとなる。
従って、テンションバー90とオープンベルト70とが組み立てられている状態で、環境温度が10℃変化する場合には、テンションバー90に比べてオープンベルト70の熱膨張量の方が小さいため、テンションバー90がX軸正向きに反るように変形してしまう。しかし、本実施形態のZ軸移動装置を組み込んだ座標測定機の場合、テンションバー90とスピンドル20とは、接続部分90Cの1ヶ所で連結しているから、テンションバー90が変形したとしても、スピンドル20は変形しないで済む。
<変形例>
なお、第一実施形態から第三実施形態までの軸方向移動装置は、移動方向が鉛直(Z軸)方向である装置であるが、本発明に係る軸方向移動装置は、Z軸以外の方向を移動方向とする装置にも適用可能である
図10に、コンベヤ等で搬送される被測定物Wの表面形状を測定するための三次元座標測定機を示す。この座標測定機200は、設置台270に立設するコラム220と、これに設置されたZ軸移動装置(Zガイド230、Zスライダ240)と、Zスライダ240に搭載されたY軸移動装置(Yガイド250、Yスライダ260)とを備える。Zスライダ240には、X軸周りにYガイド250を揺動させる回転装置を設けてもよい。そして、上記のY軸移動装置(Yガイド250、Yスライダ260)に本発明に係るオープンベルト駆動による軸方向移動装置の構成を採用することで、Yスライダ260の先端の測定ヘッド160の位置をY-Z平面内で移動させることができる。
また、図示を省略するが、本発明に係る軸方向移動装置の構成は、例えば、多段階のスピンドル(長尺状スライダ)を互いに伸縮自在に構成して、これらを伸ばすことで先端部の測定ヘッドを遠方まで移動させるような移動装置にも好適である。
各実施形態にて、ベルト保持部90A,90Bの具体的な構成については説明を省略したが、例えば、オープンベルトのオープンエンドを円筒部材に固定するとともに、その円筒部材にベルトを数巻きした状態にして保持させてもよい。円筒部材をその軸周りに回転量を調整可能に構成しておくことで、ベルトのテンションを適宜調整することができる。
本発明のベルト駆動による軸方向移動装置は、ガイドによって長尺状のスライダを直動させる装置として広く利用できる。特に、座標測定機、画像測定機および形状測定機などの測定機に搭載される軸方向移動装置として、好適に利用できる。
10 Z軸移動装置(軸方向移動装置)
20,22,24,26 スピンドル(長尺状スライダ部)
40 Yスライダ(ガイド部)
50 Zガイド(ガイド部)
52 直動ベアリングユニット
54 ガイドレール
60 Z駆動部(ベルト駆動部)
70,72,74,76 オープンベルト
80 駆動プーリー
90,92,94,96 テンションバー
90A,90B ベルト保持部
90C,92C,94C,96C 接続部分
100 三次元座標測定機(測定機)
160 測定ヘッド
162 測定プローブ(測定子)
200 三次元座標測定機(測定機)
250 Yガイド(ガイド部)
260 Yスライダ(長尺状スライダ部)

Claims (6)

  1. ガイド部と、該ガイド部によって案内される長尺状スライダ部と、前記ガイド部に対して前記長尺状スライダ部を移動させるベルト駆動部とを備える軸方向移動装置であって、
    前記長尺状スライダ部の形状は、前記ガイド部の案内機構よりも移動方向に長く、
    前記ベルト駆動部は、
    前記長尺状スライダ部の移動方向に沿って配置されたオープンベルトと、
    前記オープンベルトに駆動力を伝達する駆動プーリーと、
    前記長尺状スライダ部の移動方向に沿って配置されたテンションバーと、を有し、
    前記テンションバーは、前記オープンベルトの各端部をそれぞれ保持するベルト保持部を有し、該各端部をそれぞれ保持するベルト保持部の中間位置において、該テンションバーが前記長尺状スライダ部に接続されていることを特徴とする軸方向移動装置。
  2. 請求項1記載の軸方向移動装置において、前記長尺状スライダ部の移動方向が昇降方向であることを特徴とする軸方向移動装置。
  3. 請求項1または2記載の軸方向移動装置において、前記テンションバーが、移動方向に直交する平面での断面において、前記オープンベルトから受けるテンションに対して座屈変形しない程度の剛性を持つような形状を有することを特徴とする軸方向移動装置。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の軸方向移動装置において、前記テンションバーおよび前記長尺状スライダの接続部分が、移動方向に直交する平面上において、前記長尺状スライダの重心に近い位置に配置されていることを特徴とする軸方向移動装置。
  5. 請求項4記載の軸方向移動装置において、前記接続部分が、前記長尺状スライダの外周面よりも前記重心に近い位置に配置されていることを特徴とする軸方向移動装置。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の軸方向移動装置が測定子の軸方向移動装置として搭載され、前記長尺状スライダの先端に前記測定子が取り付けられていることを特徴とする測定機。
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