JPH0821720A - 直動案内機構及び三次元変位プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】直線運動をスムーズに行うことができる直動案
内機構及びその直動案内機構をＸ軸案内機構、Ｙ軸案内
機構、Ｚ軸案内機構として組み込んだ三次元変位プロー
ブを提供する。 【構成】本発明の直動案内機構は、直動ベアリング１１
４にピエゾ素子４８から微小振動を加えるようにした。
これにより、可動体５４のスライド開始時点における静
摩擦を低減すると共に、スライド中の動摩擦をも低減さ
せることができる。従って、本発明の直動案内機構をＸ
軸案内機構、Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構として組み込
んだ本発明の三次元変位プローブによれば、測定子１４
が被測定物に接触した際の変位をスムーズに行うことが
でき、しかも従来の案内機構である平行板ばねのように
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向以外の動き、例えば、捻じれ等が発生
しにくいので、測定子の変位量を精度良く測定すること
ができる。従って、測定子の三次元座標を正確に検出す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直動案内機構及び三次元
変位プローブに係り、特に、三次元座標測定機等のＺス
ピンドルの先端部に設けられ、被測定物の微細起伏の形
状等を測定する三次元変位プローブのＸ、Ｙ、Ｚの各軸
の案内機構の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元座標測定機で被測定物の形状等を
測定する場合、三次元座標測定機本体のＺスピンドル
（Ｚ軸）の先端に装着されたプローブ自体も三次元座標
測定機能を有するプローブがあり、これを三次元変位プ
ローブという。この三次元変位プローブは、被測定物の
極めて微細な起伏の形状を測定する場合、三次元座標測
定機本体は静止した状態で、三次元変位プローブのみが
三次元測定することができる。また、被測定物をスムー
ズにならい測定する場合にも有用である。そして、三次
元座標測定機本体の座標系による三次元変位プローブ自
体の変位量と三次元変位プローブの座標系による測定子
の変位量とを演算して所望の座標が求められる。この種
の従来の三次元変位プローブは、三次元変位プローブ本
体内に、Ｘ軸案内機構、Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構が
順に重ね合わされると共に、Ｘ軸案内機構が三次元変位
プローブ本体に支持され、Ｚ軸案内機構に測定子が支持
されている。また、各案内機構には、測定子の変位量を
読み取る変位量読取手段が設けられ、この変位量読取手
段としては、通常、モアレ縞スケールが取付けられてい
る。これにより、測定子が被測定物に接触する際、測定
子の変位に追従して変位する各案内機構の変位量を変位
量読取手段で読み取り、読み取った結果を三次元座標と
して検出する。

【０００３】そして、この案内機構としては、例えば、
平行ばねやエアベアリングが用いられており、エアベア
リングに比べて剛性の高い平行ばねが主として用いられ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
三次元変位プローブは、Ｘ軸案内機構、Ｙ軸案内機構、
Ｚ軸案内機構の各案内機構に一次元スケールであるモア
レ縞スケールがそれぞれ取付けられているため、Ｘ、
Ｙ、Ｚの案内機構を構成する平行板ばねに本来のＸ、
Ｙ、Ｚ軸方向以外の動き、例えば、捻じれ等が発生する
と、モアレ縞スケールの読み取りに誤差が発生するとい
う欠点がある。この、捻じれが発生しないように、平行
板ばねの剛性を上げると、測定子の測定圧が大きくなる
ため、被測定物に接触したさいに測定子が変位しにくく
なり感度が悪くなるという弊害が生ずる。

【０００５】このような背景から、捻じれ等が発生しに
くく、しかも測定子の測定圧が小さく被測定物に接触し
た際に測定子が精度良く変位できる案内機構が要望され
ていた。このことから、本発明者は案内機構として直動
ベアリングの採用を鋭意検討してきたが、直動ベアリン
グの場合、直動ベアリングにスライド自在に設けられた
可動体を変位させる力と、その力による可動体の変位と
の間に直線関係が得られない（図４の曲線Ｂ参照）。こ
の為、可動体をスムーズに変位させることができないの
で、可動体に測定子を設けた場合に、測定子の変位を精
度よく測定できず、従って、測定子の三次元座標を正確
に検出することができないという欠点があった。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、直線運動をスムーズに行うことができる直動
案内機構及びその直動案内機構をＸ軸案内機構、Ｙ軸案
内機構、Ｚ軸案内機構として組み込んだ三次元変位プロ
ーブを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明は、前記目的を達成
する為に、可動体をスライド自在に支持して直線運動を
行わせる直動型転がり軸受と、前記直動型転がり軸受に
振動を与える振動発生手段と、から成り、前記振動発生
手段で前記直動型転がり軸受に振動を与えた状態で前記
可動体をスライドさせることを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、前記目的を達成する為
に、直動型転がり軸受で形成されたＸ軸ガイドと、前記
Ｘ軸ガイドにスライド自在に支持されてＸ軸方向にガイ
ドされるＸ軸可動体と、前記Ｘ軸可動体に支持されると
共に、直動型転がり軸受で形成されたＹ軸ガイドと、前
記Ｙ軸ガイドにスライド自在に支持されてＹ軸方向にガ
イドされるＹ軸可動体と、前記Ｙ軸可動体に支持される
と共に、直動型転がり軸受で形成されたＺ軸ガイドと、
前記Ｚ軸ガイドにスライド自在に支持されてＺ軸方向に
ガイドされるＺ軸可動体と、前記Ｚ軸可動体に設けら
れ、被測定物に接触して変位する測定子と、前記測定子
の変位に伴ってスライドする各可動体の変位量を検出す
る検出手段と、前記各ガイドに振動を与える振動発生手
段と、から成り、前記振動発生手段で前記各ガイドに振
動を与えた状態で前記各可動体をスライドさせることを
特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明は、直動型転がり軸受に振動を与える
と、直動型転がり軸受と、直動型転がり軸受をスライド
する可動体のとの間の摩擦抵抗が低減されて可動体がス
ムーズに変位するという知見に基づいて成されたもので
ある。即ち、請求項１の発明によれば、直動型転がり軸
受に振動発生手段で振動を与えるようにしたので、直動
型転がり軸受と、直動型転がり軸受をスライドする可動
体のとの間の摩擦抵抗を小さくすることができる。これ
により、直動型転がり軸受に対して可動体をスムーズに
直線運動させることができる。

【００１０】また、請求項２の発明によれば、請求項１
の直動案内機構を三次元変位プローブのＸ軸案内機構、
Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構として採用したので、被測
定物に接触して変位する測定子の変位を精度良く測定す
ることができる。従って、測定子の三次元座標を正確に
検出することができる。

【００１１】

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る直動案内
機構及び三次元変位プローブの好ましい実施例について
詳説する。図１は、本発明の直動案内機構をＸ軸案内機
構、Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構として組み込んだ三次
元変位プローブ１０の全体構成図である。

【００１２】図１に示すように、三次元変位プローブ１
０本体は、中空円筒状のケーシング１２で形成されると
共に、ケーシング１２の下端には、後記する測定子１４
が移動する開口１６が形成される。また、前記ケーシン
グ１２内の上端部に固定されたＸ軸用フレーム１８に
は、Ｘ軸案内機構が支持される。Ｘ軸案内機構は、Ｘ軸
用フレーム１８にＸ軸用ピエゾ素子２０を介して支持さ
れると共に直動ベアリングで形成されたＸ軸リニアガイ
ド２２と、Ｘ軸リニアガイド２２にスライド自在に支持
されてＸ軸方向にガイドされると共にその両端がＸ軸用
フレーム１８の両側板部にスプリング２４、２４を介し
て支持されたＸ軸可動体２６と、Ｘ軸可動体２６に固着
されたＸ軸用リニアスケール２８と、Ｘ軸用フレーム１
８に取付けられると共にＸ軸可動体２６の変位量をＸ軸
用リニアスケール２８から読み取るＸ軸変位量読取手段
３０と、から構成される。

【００１３】また、前記Ｘ軸可動体２６にはＹ軸案内機
構が支持される。Ｙ軸案内機構は、Ｘ軸可動体２６の下
面に固着されたＹ軸用フレーム３２にＹ軸用ピエゾ素子
３４を介して支持されると共に直動ベアリングで形成さ
れたＹ軸リニアガイド３６と、Ｙ軸リニアガイド３６に
スライド自在に支持されてＹ軸方向にガイドされると共
にその両端がＹ軸用フレーム３２の両側板部（図１の表
裏方向）にスプリング３８、３８を介して支持されたＹ
軸可動体４０と、Ｙ軸可動体４０に固着された後記する
Ｚ軸用フレーム４２に設けられたＹ軸用リニアスケール
４４と、Ｙ軸用フレーム３２に取付けられると共にＹ軸
可動体４０の変位量をＹ軸用リニアスケール４４から読
み取るＹ軸変位量読取手段４６と、から構成される。

【００１４】また、Ｙ軸可動体４０にはＺ軸案内機構が
支持される。Ｚ軸案内機構は、Ｙ軸可動体４０の下面に
固着されたＺ軸用フレーム４２にＺ軸用ピエゾ素子４８
を介して支持されると共に直動ベアリングで形成された
Ｚ軸リニアガイド５０と、Ｚ軸リニアガイド５０にスラ
イド自在に支持されてＺ軸方向にガイドされると共にそ
の下端部から突出した突起板の先端がＺ軸用フレーム４
２にスプリング５２を介して支持されたＺ軸可動体５４
と、Ｚ軸可動体５４に固着されたＺ軸用リニアスケール
５６と、Ｚ軸用フレーム４２に取付けられると共にＺ軸
可動体５４の変位量をＺ軸用リニアスケール５６から読
み取るＺ軸変位量読取手段５８と、から構成される。

【００１５】そして、Ｚ軸可動体５４の先端部に、着脱
装置６０を介して図示しない被測定物に接触する測定子
１４が装着される。次に、前記したＸ、Ｙ、Ｚの各案内
機構を構成する本発明の直動案内機構について図１及び
図２（図１を斜め右方向から見た図）を使用してＺ軸案
内機構の例で代表して説明する。Ｚ軸用フレーム４２に
は、Ｚ軸用ピエゾ素子４８の一方端が固定されると共
に、Ｚ軸用ピエゾ素子４８の他方端に直動ベアリングで
形成されたＺ軸ガイド５０が固定支持される。また、直
動ベアリングで形成されたＺ軸ガイド５０には凹状の縦
溝６２が形成され、この縦溝６２内に矩形状のＺ軸可動
体５４が図中矢印方向（Ｚ軸方向）にスライド自在に支
持される。また、縦溝６２の両側壁とＺ軸可動体５４の
前記両側壁との接触部には軌道溝６４、６４が形成さ
れ、複数の鋼玉６６、６６…（コロを使用してもよい）
が図示しない保持器によって互いに接触しないように配
置されており、Ｚ軸可動体５４はＺ軸ガイド５０に対し
て円滑な転がり運動を行えるようになっている。また、
Ｚ軸ガイド５０には、Ｚ軸用ピエゾ素子４８から微小震
動が与えられている。即ち、本発明の直動案内機構は、
ピエゾ素子等の振動発生手段で直動ベアリングに微小振
動を与えた状態で可動体をスライドさせるようにしたも
のである。

【００１６】そして、上記のように直動ベアリングに振
動を与えた状態で可動体をスライドさせるようにした本
発明の直動案内機構によれば、直動ベアリングと可動体
との摩擦抵抗を小さくできるので、以下に説明するよう
に可動体を変位させる力と可動体の変位との関係を理想
的な直線関係に近づけることができる。即ち、図３の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、可動体１００
（前記したＸ、Ｙ、Ｚの各可動体２６、４０、５４に該
当）は、その上端がスプリング１０２及びテンションゲ
ージ１０４を介して上部支持部材１０８に支持され、そ
の下端がスプリング１１０を介して下部支持部材１１２
に支持された状態でつりあっている。そして、（ａ）は
本発明の直動案内機構を示したもので、可動体１００が
スライド自在に支持される直動ベアリング１１４は、振
動発生手段であるピエゾ素子１１６（前記したＸ、Ｙ、
Ｚの各ピエゾ素子２０、３４、４８に該当）を介して側
部支持部材１１８に支持され、ピエゾ素子１１６から直
動ベアリング１１４に微小振動が与えられている。ま
た、（ｂ）は（ａ）の比較例として直動ベアリング１１
４を振動させない場合の直動案内機構を示し、（ｃ）は
可動体１００と直動ベアリング１１４との間に摩擦抵抗
がない理想系を示している。

【００１７】次に、上記した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に
ついて、可動体１００を図中矢印方向（上向き）に変位
させるように可動体１００にテンション（張力）を与え
た時のテンションゲージ１０４の指示値と、可動体１０
０の変位との関係を図４に示す。図４から明らかなよう
に、ピエゾ素子１１６から直動ベアリング１１４に微小
振動が与える本発明の直動案内機構（ａ）は曲線Ａとな
り、可動体１００と直動ベアリング１１４との間に摩擦
抵抗がない理想系（ｃ）の直線Ｃに略近づけることがで
きる。これに対し、直動ベアリング１１４を振動させな
い直動案内機構（ｂ）は曲線Ｂとなり、可動体１００が
スライドを開始するまでに大きなテンションを要してお
り静摩擦が大きいことが分かると共に、可動体１００の
スライド中においてもテンションの増加と可動体１００
の変位との関係に直線関係がないことが分かる。

【００１８】このように、本発明の直動案内機構は、直
動ベアリング１１４にピエゾ素子等の振動発生手段から
微小振動を加えることにより、可動体のスライド開始時
点における静摩擦を低減すると共に、スライド中の動摩
擦をも低減させることができる。これにより、図４に示
したように、テンションの増加に対する可動体１００の
変位が直線的になるので、可動体１００はスムーズな変
位を行うことができる。

【００１９】従って、本発明の直動案内機構をＸ軸案内
機構、Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構として組み込んだ本
発明の三次元変位プローブによれば、測定子１４が被測
定物に接触した際の変位をスムーズに行うことができ、
しかも従来の案内機構である平行板ばねのようにＸ、
Ｙ、Ｚ軸方向以外の動き、例えば、捻じれ等が発生しに
くいので、測定子の変位量を精度良く測定することがで
きる。従って、測定子の三次元座標を正確に検出するこ
とができる。

【００２０】尚、本実施例では三次元変位プローブの例
で説明したが、本発明の直動案内機構は、二次元変位プ
ローブ、二次元及び三次元座標測定機本体の案内機構と
しても適用でき、更には、直動ベアリングを使用してい
る装置の全てに適用することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
直動案内機構によれば、直動型転がり軸受に振動発生手
段で振動を与えるようにしたので、直動型転がり軸受と
移動体との間の摩擦抵抗を低減きるので、移動体をスム
ーズに移動させることができる。

【００２２】また、請求項２の発明の三次元変位プロー
ブによれば、請求項１の直動案内機構を三次元変位プロ
ーブのＸ軸案内機構、Ｙ軸案内機構、Ｚ軸案内機構とし
て採用した。これにより、測定子が被測定物に接触した
際の変位をスムーズに行うことができ、しかも従来の案
内機構である平行板ばねのようにＸ、Ｙ、Ｚ軸方向以外
の動き、例えば、捻じれ等が発生しにくいので、測定子
の変位量を精度良く測定することができる。従って、測
定子の三次元座標を正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元変位プローブの全体構成を
説明する縦断面図

【図２】本発明の直動案内機構を説明する説明図

【図３】本発明の直動案内機構の作用を説明する説明図

【図４】本発明の直動案内機構の効果を説明する説明図

【符号の説明】

１０…三次元変位プローブ １２…ケーシング １４…測定子 ２０、３４、４８…Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸のピエゾ素子 ２２、３６、５０…Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸のリニアガイド ２４、３８、５２…スプリング ２６、４０、５４…Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸の可動体 ２８、４４、５６…Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸のリニアスケール ３０、４６、５８…Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸の変位量読取手段 ６６…鋼玉

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可動体をスライド自在に支持して直線運動
   を行わせる直動型転がり軸受と、 前記直動型転がり軸受に振動を与える振動発生手段と、 から成り、前記振動発生手段で前記直動型転がり軸受に
   振動を与えた状態で前記可動体をスライドさせることを
   特徴とする直動案内機構。
2. 【請求項２】直動型転がり軸受で形成されたＸ軸ガイド
   と、 前記Ｘ軸ガイドにスライド自在に支持されてＸ軸方向に
   ガイドされるＸ軸可動体と、 前記Ｘ軸可動体に支持されると共に、直動型転がり軸受
   で形成されたＹ軸ガイドと、 前記Ｙ軸ガイドにスライド自在に支持されてＹ軸方向に
   ガイドされるＹ軸可動体と、 前記Ｙ軸可動体に支持されると共に、直動型転がり軸受
   で形成されたＺ軸ガイドと、 前記Ｚ軸ガイドにスライド自在に支持されてＺ軸方向に
   ガイドされるＺ軸可動体と、 前記Ｚ軸可動体に設けられ、被測定物に接触して変位す
   る測定子と、 前記測定子の変位に伴ってスライドする各可動体の変位
   量を検出する検出手段と、 前記各ガイドに振動を与える振動発生手段と、 から成り、前記振動発生手段で前記各ガイドに振動を与
   えた状態で前記各可動体をスライドさせることを特徴と
   する三次元変位プローブ。
3. 【請求項３】前記振動発生手段はピエゾ素子であること
   を特徴とする請求項２の三次元変位プローブ。