JP7828152B2

JP7828152B2 - 測長装置

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Publication number: JP7828152B2
Application number: JP2021168835A
Authority: JP
Inventors: タレク・ヌッツィンガー; ヘルマン・マイヤー
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2026-03-11
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: US11609079B2; EP4030147A1; US20220228847A1; ES2979359T3; DE102021200417B3; EP4030147B1; CN114812339A; JP2022111044A

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の測長装置に関する。

この種の測長装置は、長さや経路を測定するのに用いられ、特に、加工機械（Ｂｅａｒｂｅｉｔｕｎｇｓｍａｓｃｈｉｎｅ）において加工対象のワークに対する工具の相対運動を測定するために使用され、三次元測定装置（Ｋｏｏｒｄｉｎａｔｅｎｍｅｓｓｍａｓｃｈｉｎｅ）において、そしてさらには、半導体産業にも使用される。

特許文献１は、スケールと当該スケールを走査するプローブキャリッジとからなる測長装置を開示している。プローブキャリッジは、連結体によって測定方向にはしっかりと（堅固に）、それ以外は動けるように連行体に取り付けられている。連結体は、測定方向に延在する結合部材を有し、当該結合部材は、プローブキャリッジ上の第一のロータリージョイントに回転可能に支承されているとともに、連行体上の第二のロータリージョイントに回転可能に支承されている。この結合部材と連行体との間に第一の弾性手段が設けられ、当該弾性手段が、プローブキャリッジに押圧力を及ぼし、ガイド面に押し付ける。さらに、上記結合部材とプローブキャリッジとの間には第二の弾性手段が設けられ、当該弾性手段は、プローブキャリッジに押圧力を及ぼし、同じくガイド面に押し付ける。第一の弾性手段は、第二の弾性手段から測定方向に離間して配置されている。

連結体を備えたさらに別の測長装置は、特許文献２、特許文献３及び特許文献４から公知である。

欧州特許出願公開第３２２８９９３号明細書欧州特許第２０３７２３０号明細書欧州特許第１１８０６６２号明細書独国特許出願公開第３６２４４８５号明細書

本発明は、簡潔でコンパクトに構成され、正確な位置測定が可能となるように用いられる測長装置を提供することを課題とする。

この課題は、本発明により、請求項１の特徴を有する測長装置により解決される。

本発明により形成された測長装置は、測定方向に縦長に延在し且つスケールが配置された支持体と、スケールの目盛りを走査するプローブキャリッジであって、少なくとも一つのガイド面上を測定方向に縦長にガイドされるプローブキャリッジと、プローブキャリッジが測定方向には堅固に連行体に連結され、測定方向に交差する方向には従動的に連行体に連結されるのに用いられる連結体とを有している。連結体は、プローブキャリッジ側の第一の連結部位と連行体側の第二の連結部位との間に配置された連結子を有している。連結子は、第二の連結部位においてフレクシャーベアリングを介して連行体に取り付けられている。フレクシャーベアリングは、目盛りの面に垂直に延びる第一の回転軸線周りに、連結子を連行体に対して自由に回転できる状態で保持するように形成されている。連結子は、鋼と比べて密度が低いか或いは鋼と比べてヤング率が高いかの少なくともいずれかである。

例えば、連結子は、鋼の密度の１０～８０％の範囲、２０～７０％の範囲または２５～６５％の範囲の密度を有する。

例えば、連結子は、１００～５００ＧＰａの範囲、１６０～４４０ＧＰａの範囲または２５０～３５０ＧＰａの範囲のヤング率を有する。

有利であるのは、連結体がボールを有し、当該ボールを介して連結子がプローブキャリッジ側の第一の連結部位に連結される場合であり、連結子が、ボールを受ける受け部を有する場合であり、さらに、受け部は、係止ピンおよび／またはボール受け用のピンが無く、しかもボールが測定方向に垂直な方向に動けるように形成されている場合である。

また、有利であるのは、連結体が、フレクシャーベアリングを連結子に接続するための平板形状子を有する場合であり、連結子が、複数の切頭円錐形状子を備え、当該切頭円錐形状子が、これらにそれぞれ対応して設けられた平板形状子の開口部を少なくとも部分的に貫いて延びている場合である。

好ましくは、連結子は、大部分または全部がセラミックからなる。

或いは、連結子は、大部分または全部が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）からなるのでもよい。

フレクシャーベアリングは、特に板バネである。

本発明により、一方では固有剛性が比較的高くなり、他方では連結子の質量が比較的小さくなる。その結果、システムの固有周波数の周波数帯域の位置を、より高い周波数の方に大幅にシフトさせることができる。これによりまた、従来技術に比べて測長装置の周波数特性を改善することが可能となる。しかも、固有振動数が特定の周波数帯域における測定精度を著しく低下させる、連結体を実体化させるための（付加的な）質量バネ系は無くすことができる。従って、簡潔でコンパクトな構造が実現される一方、他方では正確な位置測定が可能になる。

本発明の有利な構成は、従属請求項において把握される。

本発明の可能な実施例の以下の説明に基づいて、本発明のさらなる詳細をよび長所を図と関連させながら説明する。

実施例による測長装置の側面図である。連結子の領域における図１による測長装置の断面図である。図１による測長装置の連結子の側面図である。フレクシャーベアリングの連結子との接続を分かり易く示すための、図１による測長装置の連結子のさらに他の側面図である。図１による測長装置の連結子の斜視図である。従来技術による測長装置の連結子の側面図である。フレクシャーベアリングの連結子との接続を分かり易く示すための、従来技術による測長装置の連結子のさらに他の側面図である。係止ピンとボール受け用のピンを備えた従来技術による測長装置の連結子の斜視図である。

同一の要素または機能的に同じ要素は、図中に同じ符号が付されている。

以下に、図１乃至５に基づいて一実施例を説明する。図６乃至８は、公知の測長装置の構成部材（要素）を示す。この実施例による測長装置は、測定方向Ｘに互いに移動可能な二つの物体の相対的な位置を測定するのに用いられる。位置測定のために、測長装置のスケール１２がこれらの物体の一方に取り付けられ、測長装置のプローブキャリッジ１６がこれらの物体の他方に取り付けられる。スケール１２はこのとき、当該スケール１２に対して測定方向Ｘに移動可能なプローブキャリッジ１６により走査される。測長装置は、測定方向Ｘに縦長に延在する支持体１０を備えている。スケール１２は、目盛り１４を備え、この目盛りがプローブキャリッジ１６によって走査される。さらに、プローブキャリッジ１６は、光ビームを放射する照明ユニットを有し、光ビームは、目盛り１４の位置に応じて変調されて、最終的にはプローブキャリッジ１６の光感知式走査センサに入る。プローブキャリッジ１６の走査センサと照明ユニットは、図示されていない。

スケール１２は、支持体１０上に配設されている。図２に示されているように、支持体１０は中空プロファイルであり、その内部にスケール１２とプローブキャリッジ１６とが保護された状態で収められている。スケール１２はここで、例えば接着や締結といった公知の方法で支持体１０に接合されている。中空プロファイルとして形成された支持体１０は、その長手方向において、測定方向Ｘに延在した状態でスリットを備えており、このスリットが、屋根形に傾斜したシールリップ１１により密閉されていて、連行体２６は、剣形の中央部分２８．１がこのシールリップを貫くように係入している。連行体２６は、取付部２８．２を備え、この取付部によって測定対象の物体の一つに、例えば工作機械のスライダに取り付けられている。

プローブキャリッジ１６は、正確な平行ガイドのために、スケール１２に沿って、当該スケール上および／または支持体１０上を案内されている。そのために、プローブキャリッジ１６は、図示された実施例においては、案内子を介して、複数のガイド面１８．１～１８．３上で自身を支えている。ガイド面１８．１～１８．３は、支持体１０に取り付けられたガイドストリップにより形成される。ガイド面１８．２，１８．３は、目盛り１４の面Ｓに平行に配向されている。ガイド面１８．１は、この面Ｓに垂直に配向されている。これら案内子は、滑走部材でもよいが、特に玉軸受されたローラないしコロでもよい。

プローブキャリッジ１６は、連結体２０を介し、測定方向Ｘには堅固に連行体２６に連結され、測定方向に交差する方向には従動的に連行体２６に連結されている。連結体２０は、連結子２２を有し、当該連結子がプローブキャリッジ１６側の第一の連結部位Ｐ１と、連行体２６側の第二の連結部位Ｐ２との間に配置されている（図３参照）。連結子２２は、第二の連結部位Ｐ２においてフレクシャーベアリング３０、特に板バネを介して連行体２６に取り付けられている。フレクシャーベアリング３０は、目盛り１４の面Ｓに垂直に延びる第一の回転軸線Ｒ１周りに、連結子２２を連行体２６に対して自由に回転できる状態で保持するように形成されている。板バネは、特に鋼からなる。

連結子２２は、鋼と比べて低い密度か、鋼と比べて高いヤング率かの少なくともいずれかを有する。例えば、連結子２２は、鋼の密度の１０～８０％の範囲、２０～７０％の範囲または２５～６５％の範囲の密度を有する。さらに、連結子２２は、例えば、１００～５００ＧＰａの範囲、１６０～４４０ＧＰａの範囲または２５０～３５０ＧＰａの範囲のヤング率を有する。図示した実施例では、連結子２２は、大部分または好ましくは全部がセラミックからなる。

図３を参照すると、連結子２２は、略Ｌ字形に屈曲されて形成されている。さらに、連結子２２は、フォーク形に形成され、連結子２２の上側の部分は、目盛り１４の両側に配置されている（図２参照）。連結子２２は、第一と第二の連結部位Ｐ１，Ｐ２の間に延在している。第一の連結部位Ｐ１と第二の連結部位Ｐ２はここで、目盛り１４の面Ｓに垂直に延びる方向Ｚにおいて互いにずらされて配置されている。

第一の連結部位Ｐ１は、一方では目盛り１４の面Ｓ内或いは少なくともこの面Ｓの（Ｚ方向における）近傍に配置され、他方では目盛り１４の（Ｙ方向における）両側に配置されていることが好ましい。このことが特に図２に示されている。

図３に示される連結体２０は、ボール３２を有し、このボールを介して連結子２２がプローブキャリッジ１６側の第一の連結部位Ｐ１に連結されている。連結子２２は、このボール３２を受ける受け部Ｑを有している。従来技術とは対照的に、受け部Ｑは、係止ピンおよび／またはボール受け用のピンが無く、しかもボール３２が測定方向Ｘに垂直な方向（すなわちＹＺ面内）に動けるように形成されている。この目的のために、少なくとも受け部Ｑはセラミックを備えている必要がある。

図３を参照して説明した第一の連結部位Ｐ１への連結により、係止ピン若しくはボール受け用のピン（図８中の部材２および部材４参照）の使用を省くことができる。これにより、従来技術に比べて、測長装置を製造する際のかなりのコストの節約が可能になる。

図４を参照すると、連結体２０は、フレクシャーベアリング３０を連結子２２に接続するための平板形状子３４、特に鋼板を有している。平板形状子３４は、Ｙ軸線方向に視て略長方形に形成されている。連結子２２は、複数の切頭円錐形状子２４．１～２４．３を備え、これらの切頭円錐形状子がこれらのそれぞれに対応して設けられた平板形状子３４の開口部３６．１～３６．３を少なくとも部分的に貫くように延びている。図４には、フレクシャーベアリング３０の接続状態が示されている。接続状態では、フレクシャーベアリング３０は、平板形状子３４と、これとは反対側の連結子２２の部分（図５の部分Ａを参照）との間に配置されている。さらに、接続状態では、平板形状子３４は、ネジ３８を介して連結子２２に取り付けられている。

図５を参照すると、連結子２２は、第一乃至第三の切頭円錐形状子２４．１～２４．３を備えている。切頭円錐形状子２４．１～２４．３は、Ｚ方向に互いに重なり合うように配置されている。第一の切頭円錐形状子２４．１は、第一の切頭円錐形状子２４．１に対応して設けられた平板形状子３４の開口部３６．１（穴）を介して平板形状子３４を位置決めするために、星形に形成されている。第二及び第三の切頭円錐形状子２４．２，２４．３はそれぞれ、第二及び第三の切頭円錐形状子２４．２，２４．３に対応してそれぞれ設けられた開口部３６．２，３６．３（穴）の縁に両側で当接していることで、目盛り１４の面Ｓに平行な方向Ｙに延びている第二の回転軸線Ｒ２（図３参照）周りの平板形状子３４の回転を防止し且つ（実質的にＺ方向における）距離公差を補償する。

図５に示すように、第一の切頭円錐形状子２４．１はここで、略自身の全周に亘って開口部３６．１の縁に当接できるように形成されている。さらにこのとき、第二及び第三の切頭円錐形状子２４．２，２４．３は、Ｘ方向において対向し合うように位置する二つの地点において、それらが開口部３６．２または３６．３の縁に当接するようにそれぞれ形成されている。しかしながら、第二及び第三の切頭円錐形状子２４．２，２４．３は、Ｚ方向には二つの開口部３６．２，３６．３の縁には当接していない。

また、図５には、第一及び第二の切頭円錐形状子２４．１，２４．２の間に配置された開口部４０が示されている。この開口部４０は、ネジ３８を受けるのに用いられる（図４参照）。

図５に関連して述べられた機能は、二つの切頭円錐形状子２４．２，２４．３の一つが省略された場合にも得られる。

図５を参照すると、第二及び第三の切頭円錐形状子２４．２，２４．３は、開口部４０を挟んで互いに正反対の側または第一の切頭円錐形状子２４．１を挟んで互いに正反対の側に配置されている。

有利には、切頭円錐形状子２４．１～２４．３は、平板形状子３４側を臨む連結子２２の部分Ａに成形を施すことによって作られる要素である。これにより、従来技術においてフレクシャーベアリング３０ａを連結子２２ａに接続するために必要なピン（図７の部材２４．１ａ～２４．３ａ参照）の圧入が無くなる。第二の連結部位Ｐ２への連結子２２のより改善された（或いはロバストな）連結を達成するためには、さらに、少なくとも切頭円錐形状子２４．１～２４．３がセラミックを備えていることが必要である。

図６乃至８では、対応する要素または類似の要素は、文字ａを伴っている他は図１乃至５と同じ参照符号が付されているか或いは取り除いた状態で図１乃至５と同じ参照符号が付されている。

連結子の大部分（または主要部分）にセラミックを使用することで、少なくとも第一および第二の連結部位Ｐ１，Ｐ２においてセラミックと同じ優れた表面性状と高硬度が可能になる。

目盛り１４は、インクリメンタル目盛りとすることができる。それに代えて、目盛り１４は、絶対目盛りにすることもでき、例えば擬似ランダムコードとして形成されていてもよい。

目盛り１４が光学的に走査可能に形成されている場合、本発明により、特に高解像度の位置測定が可能になる。目盛り１４は、代替的に磁気的、誘導的または容量的に走査可能に形成することもできる。
なお、本願は特許請求の範囲に記載の発明に係るものであるが、本願の開示は以下も包含する：
１．
測長装置であって、
測定方向（Ｘ）に縦長に延在し且つスケール（１２）が配置された支持体（１０）と、スケール（１２）の目盛り（１４）を走査するプローブキャリッジ（１６）であって、少なくとも一つのガイド面（１８．１－１８．３）上を測定方向（Ｘ）に縦長にガイドされるプローブキャリッジ（１６）と、
プローブキャリッジ（１６）が測定方向（Ｘ）には堅固に連行体（２６）に連結され、測定方向に交差する方向には従動的に連行体（２６）に連結されるのに用いられる連結体（２０）であって、プローブキャリッジ（１６）側の第一の連結部位（Ｐ１）と、連行体（２６）側の第二の連結部位（Ｐ２）との間に配置された連結子（２２）を有する連結体（２０）と、
を備えた測長装置において、
連結子（２２）は、第二の連結部位（Ｐ２）においてフレクシャーベアリング（３０）を介して連行体（２６）に取り付けられ、当該フレクシャーベアリング（３０）は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる第一の回転軸線（Ｒ１）周りに、連結子（２２）を連行体（２６）に対して自由に回転できる状態で保持するように形成され、
連結子（２２）は、鋼と比べて低い密度か、鋼と比べて高いヤング率かの少なくともいずれかを有することを特徴とする測長装置。
２．
連結子（２２）は、鋼の密度の１０～８０％の範囲、２０～７０％の範囲または２５～６５％の範囲の密度を有する上記１に記載の測長装置。
３．
連結子（２２）は、１００～５００ＧＰａの範囲、１６０～４４０ＧＰａの範囲または２５０～３５０ＧＰａの範囲のヤング率を有する上記１または２に記載の測長装置。
４．
連結子（２２）は、Ｌ字形に屈曲されて形成されている上記１から３のいずれかに記載の測長装置。
５．
第一の連結部位（Ｐ１）と第二の連結部位（Ｐ２）は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる方向（Ｚ）において互いにずらされて配置されている上記１から４のいずれかに記載の測長装置。
６．
連結体（２０）は、ボール（３２）を有し、当該ボールを介して連結子（２２）がプローブキャリッジ（１６）側の第一の連結部位（Ｐ１）に連結され、連結子（２２）は、当該ボール（３２）を受ける受け部（Ｑ）を有し、当該受け部（Ｑ）は、係止ピンおよび／またはボール受け用のピンが無く、しかもボール（３２）が測定方向（Ｘ）に垂直な方向に動けるように形成されている上記１から５のいずれかに記載の測長装置。
７．
少なくとも受け部（Ｑ）がセラミックを備える上記６に記載の測長装置。
８．
連結体（２０）は、フレクシャーベアリング（３０）を連結子（２２）に接続するための平板形状子（３４）を有し、連結子（２２）は、複数の切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）を備え、当該切頭円錐形状子が、これらにそれぞれ対応して設けられた平板形状子（３４）の開口部（３６．１－３６．３）を少なくとも部分的に貫いて延びている上記１から７のいずれかに記載の測長装置。
９．
連結子（２２）は、少なくとも第一及び第二の切頭円錐形状子（２４．１，２４．２）を備え、これらの切頭円錐形状子は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる方向（Ｚ）において重なり合う位置に配置され、第一の切頭円錐形状子（２４．１）は、第一の切頭円錐形状子（２４．１）に対応して設けられた平板形状子（３４）の開口部（３６．１）を介して平板形状子（３４）を位置決めするために星形に形成され、第二の切頭円錐形状子（２４．２）は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に平行な方向（Ｙ）に延びる第二の回転軸線（Ｒ２）周りに平板形状子（３４）が回転するのを阻止して距離公差を補償するために、第二の切頭円錐形状子（２４．２）に対応して設けられた開口部（３６．２）の縁に両側で当接する上記８に記載の測長装置。
１０．
切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）は、平板形状子（３４）に臨む連結子（２２）の部分（Ａ）を成形することにより作られた要素である上記８または９に記載の測長装置。
１１．
少なくとも切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）はセラミックを備える上記８から１０のいずれかに記載の測長装置。
１２．
平板形状子（３４）は鋼板である上記８から１１のいずれかに記載の測長装置。
１３．
連結子（２２）は、大部分または全部がセラミックからなる上記１から１２のいずれかに記載の測長装置。
１４．
フレクシャーベアリング（３０）は板バネである上記１から１３のいずれかに記載の測長装置。
１５．
板バネは鋼からなる上記１４に記載の測長装置。

Claims

測長装置であって、
測定方向（Ｘ）に縦長に延在し且つスケール（１２）が配置された支持体（１０）と、スケール（１２）の目盛り（１４）を走査するプローブキャリッジ（１６）であって、少なくとも一つのガイド面（１８．１－１８．３）上を測定方向（Ｘ）に縦長にガイドされるプローブキャリッジ（１６）と、
プローブキャリッジ（１６）が測定方向（Ｘ）には堅固に連行体（２６）に連結され、測定方向に交差する方向には従動的に連行体（２６）に連結されるのに用いられる連結体（２０）であって、プローブキャリッジ（１６）側の第一の連結部位（Ｐ１）と、連行体（２６）側の第二の連結部位（Ｐ２）との間に配置された連結子（２２）を有する連結体（２０）と、
を備えた測長装置において、
連結子（２２）は、第二の連結部位（Ｐ２）においてフレクシャーベアリング（３０）を介して連行体（２６）に取り付けられ、当該フレクシャーベアリング（３０）は、板バネであり且つ目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる第一の回転軸線（Ｒ１）周りに、連結子（２２）を連行体（２６）に対して自由に回転できる状態で保持するように形成され、
連結子（２２）は、鋼と比べて低い密度か、鋼と比べて高いヤング率かの少なくともいずれかを有することを特徴とする測長装置。
連結子（２２）は、鋼の密度の１０～８０％の範囲、２０～７０％の範囲または２５～６５％の範囲の密度を有する請求項１に記載の測長装置。
連結子（２２）は、１００～５００ＧＰａの範囲、１６０～４４０ＧＰａの範囲または２５０～３５０ＧＰａの範囲のヤング率を有する請求項１または２に記載の測長装置。
連結子（２２）は、Ｌ字形に屈曲されて形成されている請求項１から３のいずれかに記載の測長装置。
第一の連結部位（Ｐ１）と第二の連結部位（Ｐ２）は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる方向（Ｚ）において互いにずらされて配置されている請求項１から４のいずれかに記載の測長装置。
連結体（２０）は、ボール（３２）を有し、当該ボールを介して連結子（２２）がプローブキャリッジ（１６）側の第一の連結部位（Ｐ１）に連結され、連結子（２２）は、当該ボール（３２）を受ける受け部（Ｑ）を有し、当該受け部（Ｑ）は、係止ピンおよび／またはボール受け用のピンが無く、しかもボール（３２）が測定方向（Ｘ）に垂直な方向に動けるように形成されている請求項１から５のいずれかに記載の測長装置。
少なくとも受け部（Ｑ）がセラミックを備える請求項６に記載の測長装置。
連結体（２０）は、フレクシャーベアリング（３０）を連結子（２２）に接続するための平板形状子（３４）を有し、連結子（２２）は、複数の切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）を備え、当該切頭円錐形状子が、これらにそれぞれ対応して設けられた平板形状子（３４）の開口部（３６．１－３６．３）を少なくとも部分的に貫いて延びている請求項１から７のいずれかに記載の測長装置。
連結子（２２）は、少なくとも第一及び第二の切頭円錐形状子（２４．１，２４．２）を備え、これらの切頭円錐形状子は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に垂直に延びる方向（Ｚ）において重なり合う位置に配置され、第一の切頭円錐形状子（２４．１）は、第一の切頭円錐形状子（２４．１）に対応して設けられた平板形状子（３４）の開口部（３６．１）を介して平板形状子（３４）を位置決めするために星形に形成され、第二の切頭円錐形状子（２４．２）は、目盛り（１４）の面（Ｓ）に平行な方向（Ｙ）に延びる第二の回転軸線（Ｒ２）周りに平板形状子（３４）が回転するのを阻止して距離公差を補償するために、第二の切頭円錐形状子（２４．２）に対応して設けられた開口部（３６．２）の縁に両側で当接する請求項８に記載の測長装置。
切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）は、平板形状子（３４）に臨む連結子（２２）の部分（Ａ）を成形することにより作られた要素である請求項８または９に記載の測長装置。
少なくとも切頭円錐形状子（２４．１－２４．３）はセラミックを備える請求項８から１０のいずれかに記載の測長装置。
平板形状子（３４）は鋼板である請求項８から１１のいずれかに記載の測長装置。
連結子（２２）は、大部分または全部がセラミックからなる請求項１から１２のいずれかに記載の測長装置。
板バネは鋼からなる請求項１から１３のいずれかに記載の測長装置。