JP6883446B2 - 昇降駆動装置およびこれを用いた測定機 - Google Patents

Description

本発明は、測定機に用いる測定ヘッドの移動機構に関する。

測定ヘッドに測定子を取り付けて、測定子を任意の方向からワークに接近させて各種測定を実行する測定機は、多くの場合、測定ヘッド用の昇降駆動装置を備えている。測定ヘッドには、各種測定に応じた接触・非接触プローブや高解像度カメラなどの測定子が、選択的に搭載され、それぞれの測定子によってワークの位置（座標）・画像・形状などが高い精度で測定される。また、照明機器でワークの測定箇所を照らす場合には、測定ヘッドに照明機器を搭載して測定を実行することもある。

特許文献１には、従来の測定ヘッド用の昇降駆動装置であるＺ方向駆動機構が示されている。このＺ方向駆動機構は、図５に示すように、下端に測定子１３を有し垂直に支持されたＺ軸スピンドル１２と、このＺ軸スピンドル１２を垂直方向にガイドするガイド筒２２と、Ｚ軸スピンドル１２の内部から上方に延びる支持軸２８と、Ｚ軸スピンドル１２に設けられ支持軸２８を挟み込む一対のローラ１５，１６と、ローラ１５を回転駆動させる駆動モータ１７と、を備える。

ガイド筒２２は、Ｘ方向駆動機構のＸスライダ９に支持されてＸ方向に移動する。ガイド筒２２にはＺ軸スピンドル１２が挿通され、両者の隙間には複数のエアーベアリング用の複数のエアーパッド２４が配置されている。エアーパッド２４はガイド筒２２の内周に設けられ、噴出するエアーによる空気軸受けを形成し、ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦抵抗を低減させる。また、ガイド筒２２には、垂直上方に向かって立設された支柱２５が設けられ、この支柱２５の上端に設けられた横梁２６によって支持軸２８の上端が支持される。

Ｚ軸スピンドル１２の内部まで挿通された支持軸２８の下端にはピストンが接続され、このピストンを収容するシリンダがＺ軸スピンドル１２の内部に設けられている。シリンダ室にエアーを供給することによりシリンダを浮上させる力が作用して、この力がＺ軸スピンドル１２の重量に見合った押上力となり、Ｚ軸スピンドル１２の見かけ重量が軽減される。このような機構をここではエアーバランス機構と呼ぶ。

特許文献１のＺ方向駆動機構１１を駆動させるときは、モータ１７を駆動して駆動ローラ１５を回転させる。駆動ローラ１５と従動ローラ１６は、Ｚ軸スピンドルを吊下げている支持軸２８を挟み込んでいるので、両ローラと支持軸２８との間の摩擦力により回転しながら昇降する。これに伴って、Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に移動して、測定子１３を所望の高さにすることができる。

特許３９８８８６０号公報

座標測定機などの測定機では、測定子を保持する測定ヘッドをＸ，Ｙ，Ｚ軸の任意の方向に、高精度かつ高速に移動・位置決めできる性能が重要であり、このような性能を長期に渡って維持できることも要求される。そのため、測定ヘッド用の昇降駆動装置においては、Ｚ軸スピンドルの直動性と迅速な動作性能が重要になる。上記の特許文献１のＺ方向駆動機構では、このような性能を発揮させるためにエアーベアリングやエアーバランス機構、および、支持軸を一対のローラで挟み込んだ摩擦駆動機構を採用しているが、さらなる構造の単純化、軽量化、および、振動対策に適したものが要求されている。

例えば、特許文献１のＺ方向駆動機構は、上下に延ばされた支持軸を挟み込む一対のローラを備え、ローラの駆動力によってＺ軸スピンドルを支持軸に沿って移動させる。ローラと支持軸との間に所定の大きさの摩擦力が生じるように、支持軸と各ローラとの接触面積が確保されていなければならず、断面の大きな支持軸が使用されることから、支持軸のサイズダウンには限界があった。
また、特許文献１のＺ方向駆動機構では、測定ヘッドを様々な方向に移動させた際にＺ軸スピンドルが僅かでも揺れてしまうことへの対策として、Ｚ軸スピンドルを吊下げている支持軸の上端にスラスト軸受を設けて、Ｚ軸スピンドルの振れを積極的に減衰させる場合が多い。支持軸の上端にスラスト軸受を設けることは、振動対策のために必要ではあるが、構造的には複雑になってしまう。

本発明の目的は、測定ヘッド用の昇降駆動装置であって、エアーベアリングで案内される昇降部材（Ｚ軸スピンドル）の高精度の直動性および迅速な昇降動作を実現でき、かつ、構造の単純化、軽量化、および、振動対策に適したものを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明に係る昇降駆動装置は、昇降部材と、前記昇降部材をガイドするガイド手段と、前記昇降部材とガイド手段との間に空気層を形成する空気軸受と、を備えた前記昇降部材の昇降駆動装置であって、
前記昇降部材から上方へと延ばされ、かつ、上端を前記ガイド手段に支持された線状部材と、
前記線状部材に作用する張力を増大させて前記線状部材により吊下げられた前記昇降部材の見かけ重量を軽減させるバランス手段と、
前記ガイド手段に設けられ前記昇降部材に接触した状態のローラと、
前記ローラを回転させる回転駆動手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、昇降駆動装置のバランス手段は、昇降部材を吊下げている線状部材の張力を増大させて、この増大した張力により昇降部材を引き上げるので、昇降部材の見かけ重量を軽減させることができる。バランス手段の具体例として、エアーシリンダを利用したエアーバランス機構や、線状部材であるワイヤーを巻き上げるウインチを用いた機構などが挙がる。バランス手段によって昇降部材の自重が打ち消される分だけ、昇降部材を昇降させるのに必要な駆動力が小さくなり、昇降動作を迅速にする上で有利な構成になる。また、本発明の昇降駆動装置は、昇降部材とガイド手段との間に空気層を形成し、所謂、エアーベアリングによって昇降部材を上下に案内する。昇降部材には、ガイド手段との摩耗部分が無くなり、昇降部材の高精度の直動性を永く維持することができる。

加えて、本発明の昇降駆動装置は、昇降部材の表面に直接的に接触して、その摩擦力により昇降部材を昇降させるローラを具備する。従来のような吊下部材に対する摩擦駆動機構ではなくて、昇降部材に対する摩擦駆動機構になっている。その結果、昇降部材を吊下げる線状部材を必要最小限まで細くすることができ、フレキシブル性を有する線状部材を採用できるようになった。従来の支持軸のような剛性の比較的大きな吊下部材の場合には支持軸の上端部にスラスト軸受を設ける必要があったが、本発明のように曲げやネジリに対してフレキシブルな線状部材を吊下部材として使用すれば、スラスト軸受を省略することができる。線状部材として、例えば、ワイヤー、ピアノ線、ロープ、細長い棒などを採用することができる。特に、線状部材は、フレキシブル性を有するワイヤーまたは細長い棒であることが好ましい。

一方、単純に、昇降部材の吊下部材として線状部材を採用して、上端部のスラスト軸受を無くした構成では、昇降部材の固有振動数が小さくなってしまい、従来と比較して、昇降部材が振動しやすくなってしまう。これに対して、本発明の昇降駆動装置では、線状部材の採用と同時に、昇降部材を直接的に摩擦駆動させるローラを採用した。昇降部材に対してローラが常に接触した状態が維持されるので、昇降部材の固有振動数の低下を回避して、昇降部材の振動の発生を抑制することができるとともに、仮に、振動が発生した場合であっても、ローラとの接触状態が維持されていることで振動を減衰させやすいという効果も得られる。

ここで、前記ローラを含む一対のローラが、前記昇降部材を挟み込むように配置されていることが好ましい。昇降部材とローラ間に摩擦力を生じさせるには、駆動用ローラを昇降部材へ押し付ける力が必須であるが、本発明の昇降駆動装置では、昇降部材がエアーベアリングで案内されるため、駆動用ローラへの押し返す力をエアーベアリングのエアー圧の調整によって確保することができる。より確実に安定した押し返し力を発生させるのであれば、一対のローラを用いて、昇降部材を挟み込むのがよい。

また、前記バランス手段は、
前記昇降部材の内部に位置する前記線状部材の下端に接続されたピストンと、
前記昇降部材に設けられ前記ピストンを内部に収納し、かつ、前記ピストンで区画されたシリンダ室へのエアー供給により前記ピストンに対して上下運動するシリンダと、
を有することが好ましい。

この構成によれば、ピストンおよびシリンダは、ピストンで区画されたシリンダ室にエアーを送り込むことにより、昇降部材の重量に見合う押上力を発生させる。所謂、エアーシリンダを利用したエアーバランス機構である。このエアーバランス機構は、構成も簡単で取扱い易く、軽量化に適する。

本発明に係る測定機は、上記の昇降駆動装置を用いて、測定対象物の位置、画像、および形状のうちの少なくとも１つを測定するための測定子を前記昇降部材に取付けることにより、前記測定子を移動させる移動機構を構成することを特徴とする。

本発明の昇降駆動装置およびこれを備えた測定機によれば、エアーベアリングで案内される昇降部材を、高い精度で直動させることが可能で、迅速な昇降動作を実現することができ、かつ、構造の単純化、軽量化、および、振動対策に適したものを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る測定機の外観を示す図である。 前記実施形態におけるＺ軸移動装置の内部構造を示す部分断面図である。 前記実施形態におけるダイレクト摩擦駆動機構を模式的に示した図である。 前記ダイレクト摩擦駆動機構の変形例を模式的に示した図である。 従来の測定ヘッド用のＺ方向駆動機構の構造を示す図。

以下、図面に基づき本発明に係る測定機、および、この測定機に設けられた昇降駆動装置であるＺ軸移動装置の実施の形態について説明する。

図１に本実施形態の三次元測定機を示す。この三次元測定機１は、測定対象物を載置するベース２と、測定子１３を移動させる移動機構を備えて構成されており、この移動機構として、測定子１３をＹ方向へ移動させるＹ軸移動装置３と、測定子１３をＸ方向へ移動させるＸ軸移動装置７と、測定子１３をＺ方向へ移動させる本実施形態のＺ軸移動装置１１を備えている。

ベース２は測定対象物を載置するために精密平坦加工された上面を備える四角柱状である。説明のために、ベース２の上面で互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、ベース２の上面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｙ軸移動装置３は、ベース２上でＹ方向に設けられたＹガイドレール４と、このＹガイドレール４に沿って移動可能に設けられたＹスライダ左側部５Ｌと、Ｙスライダ左側部５Ｌと対になってベース２上をＹ方向へ移動するＹスライダ右側部６Ｒとを備えて構成されている。なお、Ｙガイドレール４とＹスライダ左側部５Ｌ、ベース２とＹスライダ右側部６Ｒとの間にはエアーベアリングが設けられている。

Ｘ軸移動装置７は、Ｙスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒに両端を支持された長手状のガイド部材であるＸビーム８と、Ｘビーム８の長手方向に沿って移動可能に設けられた可動部材であるＸスライダ９と、Ｘスライダ９を移動させるＸスライダ駆動手段１０とを備えて構成されている。Ｘビーム８は、長柱状であり、両端がＹスライダ５ＬとＹスライダ６Ｒの上に支持され、Ｙ方向スライド機構３がＹ方向にスライドされると、Ｘビーム８もＹ方向に移動される。Ｘスライダ９は、Ｘビーム８に沿ってスライド可能に設けられている。Ｘスライダ９とＸビーム８との間にはエアーベアリングが設けられている。

図２に、Ｚ軸移動装置１１の内部構造を示す。Ｚ軸移動装置１１は、Ｘ軸スライダ９に支持されたガイド手段としてのガイド筒２２と、ガイド筒２２に対して垂直方向に挿通された昇降部材としてのＺ軸スピンドル１２と、を備える。以下、このＺ軸移動装置１１の具体的な構成を機能毎に説明する。

（エアーベアリング）
ガイド筒２２の内側のガイド面は、Ｚ軸スピンドル１２を四方から囲むように配置された複数のエアーパッド２４（図３参照）の噴出面により形成される。エアーパッド２４から圧縮空気がＺ軸スピンドル１２に向けて噴出されて、Ｚ軸スピンドル１２との間に空気層が形成される。エアーパッド２４は、Ｘ，Ｙ方向からそれぞれＺ軸スピンドル１２を挟むように対向配置され、また、Ｚ方向に間隔を設けて２段に配置されている。このようなエアーベアリングの構成により、ガイド筒２２に対するＺ軸スピンドル１２の非接触状態が維持される。

（エアーバランス機構）
ガイド筒２２の上方に、３本の支柱２５が立てられ、上部の横梁２６を支持する。この横梁２６にワイヤー１８の上端が支持され、ワイヤー１８によってＺ軸スピンドル１２が吊り下げられている。直径が０．３ｍｍから１０ｍｍ程度であるワイヤーが好ましく、更に好ましくは直径が０．５ｍｍから３ｍｍ程度である。本実施形態では、直径が１ｍｍ程度のワイヤーを用いた。Ｚ軸スピンドル１２は、中空状で、内部にシリンダ２０が取り付けられている。ワイヤー１８の中心軸とシリンダ２０の円筒部中心が略一直線になっている。ワイヤー１８の下端は、シリンダ内のピストン２９に連結されている。シリンダ２０上面には、ワイヤー１８の挿通孔があり、シール部材３０によってシリンダ２０内の気密性が保たれる。

このような構成のエアーバランス機構１９は、シリンダ内の加圧室に圧縮空気が送り込まれると、シリンダ２０を浮上させる。この浮上がＺ軸スピンドル１２の自重を打ち消す方向に働くので、後述するスピンドル駆動機構は小さな駆動力でＺ軸スピンドル１２を昇降させることができる。

エアーベアリングおよびエアーバランス機構については、従来の構成と共通する部分を有するが、本実施形態においては、Ｚ軸スピンドル１２を吊り下げる部材が、従来の支持軸からワイヤーに変更された点が、従来の構成と大きく相違する。

（ダイレクト摩擦駆動機構）
スピンドル駆動機構として本実施形態ではダイレクト摩擦駆動機構１４を採用した。図２には一部を分解して示すが、駆動ローラ１５が、Ｙ方向から見たＺ軸スピンドル１２の表面と接触するように配置される。駆動ローラ１５およびその駆動用モータ１７は、取付部材３２を介してガイド筒２２に支持される。

駆動ローラ１５は、所望の押付力でＺ軸スピンドル１２の表面を付勢するように設けられている。そのため、取付部材３２は、駆動ローラ１５およびモータ１７を支持する支持部材３４と、ガイド筒２２に設けられたＹ方向の案内部材３６とを用いて、支持部材３４が案内部材３６によってＹ方向に僅かに変位するように構成されている。そして、支持部材３４と案内部材３６との間にバネなどの弾性部材３８を挟んで、支持部材３４がＹ方向に付勢された状態になる。従って、調整された付勢力で駆動ローラ１５がＺ軸スピンドル１２の表面を付勢する。モータ１７の動力は、伝達ベルトで駆動ローラ１５の回転軸に伝わって、駆動ローラ１５を回転させる。

図３に模式的に示すように、Ｚ軸スピンドル１２は、駆動ローラ１５から受ける付勢力とは反対方向の付勢力を、反対側に設けられた従動ローラ１６から受ける。スピンドル１２を挟むこれら一対のローラ１５，１６の押付力をバランスさせることにより、駆動ローラ１５の駆動によってローラ１５，１６とスピンドル１２の表面との間に摩擦力が発生して、Ｚ軸スピンドル１２を上下方向に移動させることができる。例えば、駆動ロール１５の付勢力Ａとその上下のエアー押付力Ｂの合計と、これらに対向する従動ローラ１６の付勢力Ａ’およびエアーパッド２４の押付力Ｃの合計とがバランスするように、各ローラのバネ長や各エアーパッドの空気圧を微調整するとよい。

なお、図４に示すダイレクト摩擦駆動機構の変形例では、従動ローラを設けず、Ｚ軸スピンドル１２を中心に駆動ローラ１５の反対側にはエアーパッド２４のみを配置してもよい。この場合は、駆動ロール１５の付勢力Ａとその上下のエアー押付力Ｂの合計と、これらに対向するエアーパッドの押付力Ｃの合計と、がバランスするように、ローラのバネ長や各エアーパッドの空気圧を微調整するとよい。

本実施形態のＺ軸移動装置１１およびこれを備えた三次元測定機１の効果を説明する。
（１）エアーベアリングによってＺ軸スピンドル１２とガイド筒２２との間の摩耗部分が無くなるので、ガイド筒２２による高精度の直動性を永く維持できる。また、エアーバランス機構１９を含むので、Ｚ軸スピンドル１２の自重がキャンセルされた分だけ昇降に必要な駆動力が小さくなり、安定した直動性と位置決めの迅速性を維持できる。

（２）スピンドル駆動機構として、Ｚ軸スピンドル１２に対してダイレクトに摩擦力を作用させて上下方向に移動させる駆動ローラ１５を採用した。
その効果として、まず、Ｚ軸スピンドル１２用の吊下部材にサイズの制約がなくなって、従来の断面積の大きなロッドの代わりに、断面積の比較的小さいフレキシブルなワイヤー１８を採用できるようになった。また、従来のロッドの場合、ロッドの上端にスラスト軸受を設ける必要があった。その理由は、従来は、Ｚ軸スピンドル１２がＸ,Ｙ方向へ変位した場合に、それに応じて中空ロッドの上端も変位できるようにしておかないと、Ｚ軸スピンドル１２に生じた振動が固定側（ガイド筒２２）へ伝わってしまい、振動の影響が拡散してしまうからであった。しかし、本発明のように、ワイヤー１８を採用することで、Ｚ軸スピンドル１２のＸ，Ｙ方向の変位がワイヤーのフレキシブル性によって吸収されるから、ワイヤー１８の上端については単純な支持方法を採用できるようになった。スラスト軸受が不要になった分だけ部品点数を少なくできる。
次に、移動側のＺ軸スピンドル１２がローラ１５および駆動用のモータ１７を保持するのではなく、固定側のガイド筒２２がこれらを支持する構成になるので、Ｚ軸スピンドル１２の軽量化を図れるようになった。
さらに、単にワイヤー１８を採用しただけでは、そのデメリットとして、Ｚ軸スピンドル１２の固有振動数が小さくなる（一般的に振動し易くなる）ことが挙げられる。固定側のガイド筒２２との連結部材としてワイヤー１８を採用すると、従来のロッドの場合に比べて、Ｚ軸スピンドル１２の剛性が低下し、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のすべての方向において、Ｚ軸スピンドルが振動し易くなってしまう。また、従来のロッドの場合は、ロッド上端をスラスト軸受によって支持していたので、Ｚ軸スピンドルのＸ，Ｙ方向の振動が、スラスト軸受によって減衰されるような構造になっていた。単にワイヤー１８を採用して、スラスト軸受を無くすと、このようなＺ軸スピンドル１２の減衰特性も低下してしまう。しかし、本発明では、ワイヤー１８の採用とともに、Ｚ軸スピンドル１２をダイレクトに摩擦駆動させる駆動ローラ１５を採用したので、Ｚ軸スピンドル１２に対して駆動ローラ１５が常に接触した状態が維持される。そのため、振動の発生が抑制されるとともに、振動の減衰効果も期待できる。

なお、ワイヤーの代替品として従来のロッドよりも小径のロッド（φ３ｍｍ程度）を採用してもよい。この場合も、小径ロッドの弾性変形によって、ロッド上端のスラスト軸受が不要となる。その他、上記の効果（１）、（２）と同様の効果が得られる。

本発明は、座標測定機のほか、画像測定機や形状測定機などの他の測定機、顕微測定機などの光学装置における垂直軸移動装置として好適に利用できる。

１ 三次元測定機（測定機）
１１ Ｚ軸移動装置（昇降駆動装置）
１２ Ｚ軸スピンドル（昇降部材）
１３ 測定子
１４ ダイレクト摩擦駆動機構
１５ 駆動ローラ（ローラ）
１６ 従動ローラ
１７ モータ（回転駆動手段）
１８ ワイヤー（線状部材）
１９ エアーバランス機構（バランス手段）
２０ シリンダ
２２ ガイド筒（ガイド手段）
２４ エアーベアリング用のエアーパッド
２９ ピストン

Claims (5)

1. 昇降部材と、
   前記昇降部材をガイドするガイド手段と、
   前記昇降部材とガイド手段との間に空気層を形成する空気軸受と、
   を備えた前記昇降部材の昇降駆動装置であって、
   前記昇降部材から上方へと延ばされ、かつ、上端を前記ガイド手段に支持された線状部材と、
   前記線状部材に作用する張力を増大させて前記線状部材により吊下げられた前記昇降部材の見かけ重量を軽減させるバランス手段と、
   前記ガイド手段に設けられ前記昇降部材に接触した状態のローラと、
   前記ローラを回転させる回転駆動手段と、を備えることを特徴とする昇降駆動装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記ローラを含む一対のローラが、前記昇降部材を挟み込むように配置されていることを特徴とする昇降駆動装置。
3. 請求項１または２記載の装置において、
   前記バランス手段は、
   前記昇降部材の内部に位置する前記線状部材の下端に接続されたピストンと、
   前記昇降部材に設けられ前記ピストンを内部に収納し、かつ、前記ピストンで区画されたシリンダ室へのエアー供給により前記ピストンに対して上下運動するシリンダと、
   を有することを特徴とする昇降駆動装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の装置において、前記線状部材は、ワイヤーまたは細長い棒であることを特徴とする昇降駆動装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の昇降駆動装置を用いて、測定対象物の位置、画像、および形状のうちの少なくとも１つを測定するための測定子を前記昇降部材に取付けることにより、前記測定子を移動させる移動機構を構成することを特徴とする測定機。

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