(57)【要約】【課題】鉛直方向への駆動精度を向上させる【解決手段】Ｚ軸スピンドル１９は、エアベアリング２２−１および２２−２により鉛直方向への移動がガイドされる。シャフトモータ２３は、鉛直方向に延びるように配置されるシャフト２５と、シャフト２５に対して非接触で、シャフト２５に沿った方向にＺ軸スピンドル１９を駆動させる駆動力を発生するスライダ２６から構成される。また、エアシリンダ２９は、シャフトモータ２３のシャフト２５によりＺ軸スピンドル１９の重量を支持し、Ｚ軸スピンドル１９の重量に見合う押上力を、Ｚ軸スピンドル１９の移動に応じて発生する。本発明は、例えば、プローブにより形状を測定する三次元測定装置に適用できる。【選択図】図２
2011135751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸体を前記軸体の長手方向に駆動させる駆動装置において、
前記軸体の長手方向への移動をガイドするガイド手段と、
前記軸体の長手方向に延びるように前記軸体に配置されるシャフトと、
前記シャフトに対して非接触で、前記シャフトに沿った方向に前記軸体を駆動させる駆動力を発生する駆動力発生手段と、
前記シャフトにより前記軸体の重量を支持して、前記軸体の重量に見合う押上力を前記軸体の移動に応じて発生する押上力発生手段と
を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記シャフトは、軸方向に沿って磁極が交互になるように配置された多数の永久磁石を有し、
前記駆動力発生手段は、前記シャフトの周囲に装着され、複数のコイルを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動力発生手段を冷却するための冷却手段
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記駆動力発生手段は、断熱材を介して前記軸体に固定される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項５】
前記ガイド手段は、前記軸体を水平方向に駆動させる水平駆動手段に対して装着される
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項６】
プローブを利用して被検物の形状を測定する測定装置において、
請求項１乃至５のいずれかに記載の駆動装置により前記プローブを駆動する
ことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置および測定装置に関し、特に、鉛直方向への駆動精度を向上させることができる駆動装置および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステージに載置された被検物の形状を三次元的に測定する三次元測定装置では、水平方向に移動可能なＸＹ駆動機構にＺ軸駆動機構が装着され、Ｚ軸駆動機構により鉛直方向（Ｚ軸方向）に駆動されるＺ軸スピンドルに設けられたプローブの先端を被検物の表面に当接させることで測定が行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されている測定装置は、Ｚ軸スピンドルのＺ軸方向への移動をエアパッドによりガイドし、Ｚ軸スピンドルに内蔵されたエアシリンダのシャフトを一対のローラで挟み込んで摩擦駆動するＺ軸駆動機構を備えて構成されている。
【０００４】
ところが、このようなＺ軸駆動機構では、エアパッドによりガイドされるＺ軸スピンドルの移動方向と、駆動に利用されるシャフトの軸方向との平行度に誤差が生じていた場合、シャフトを挟み込んだローラの摩擦駆動によりＺ軸スピンドルを移動させると、シャフトの軸方向に対して直交する方向に力（水平力）がかかり、シャフトが傾斜することがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献２に開示されているＺ軸駆動機構は、エアスライドおよび自動調芯玉軸受けを利用し、シャフトにかかる力を逃がし、シャフトが自由に傾斜することができるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４８５８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７９３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、Ｚ軸スピンドルの移動方向と駆動に利用されるシャフトの軸方向との平行度に誤差が生じていた場合、シャフトの軸方向に対して直交する方向への力が発生したり、シャフトが傾斜したりすることにより、Ｚ軸スピンドルの移動精度が低下することがあった。これにより、測定装置の測定精度が低下することがあり、より高精度でＺ軸スピンドルを移動させることができるＺ軸駆動機構が求められている。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、鉛直方向への移動時における位置決め精度を向上させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の駆動装置は、軸体を前記軸体の長手方向に駆動させる駆動装置であって、前記軸体の長手方向への移動をガイドするガイド手段と、前記軸体の長手方向に延びるように前記軸体に配置されるシャフトと、前記シャフトに対して非接触で、前記シャフトに沿った方向に前記軸体を駆動させる駆動力を発生する駆動力発生手段と、前記シャフトにより前記軸体の重量を支持して、前記軸体の重量に見合う押上力を前記軸体の移動に応じて発生する押上力発生手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の測定装置は、プローブを利用して被検物の形状を測定する測定装置であって、前記駆動装置により前記プローブを駆動することを特徴とする。
【００１１】
本発明の駆動装置および測定装置においては、ガイド手段により、軸体の長手方向への移動がガイドされ、駆動力発生手段により、長手方向に延びるように軸体に配置されるシャフトに対して非接触で、シャフトに沿った方向に軸体を駆動させる駆動力が発生される。また、押上力発生手段により、駆動力発生手段のシャフトにより軸体の重量を支持して、軸体の重量に見合う押上力が軸体の移動に応じて発生される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の駆動装置および測定装置によれば、鉛直方向への移動時における位置決め精度を向上させることができることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】Ｚ軸駆動機構の構成例を示す図である。
【図３】Ｚ軸駆動機構の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明を適用した測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、測定装置１１は、測定装置１１全体の水平度を調整することができる架台１２に、石製または鋳鉄製の定盤１３が載置され、水平に保たれた定盤１３の上面に傾斜回転テーブル１４が載置されている。
【００１７】
定盤１３は、端部（図１では右側の端部）が、定盤１３上をＹ軸方向（図１の奥行き方向）に駆動可能な門型フレーム１５のＹ軸ガイドを兼ねるように形成されている。傾斜回転テーブル１４は、被検物Ｍが載置される上面に対して直交する軸を中心に回転可能な回転テーブルと、その回転テーブルをＸ軸（図１の左右方向の軸）を中心に傾斜可能な傾斜テーブルとを有しており、被検物Ｍを回転および傾斜させて測定姿勢を決定する。
【００１８】
門型フレーム１５（水平駆動手段）は、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド１５ａ、定盤１３のＹ軸ガイドに沿って駆動する駆動側柱１５ｂ、および駆動側柱１５ｂの駆動に従って定盤１３の上面を滑動する従動側柱１５ｃにより構成されている。ヘッド部１６は、門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿って駆動可能であり、ヘッド部１６に対して、Ｚ軸ガイド１７が装着されている。
【００１９】
Ｚ軸ガイド１７には、下方の先端に測定プローブ１８が装着されたＺ軸スピンドル１９（軸体）を、鉛直方向であるＺ軸方向（図１の上下方向）に駆動させるＺ軸駆動機構（後述する図２）が組み込まれている。
【００２０】
このように構成されている測定装置１１では、定盤１３のＹ軸ガイドに沿って門型フレーム１５を駆動させ、門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿ってヘッド部１６を駆動させ、Ｚ軸ガイド１７によりＺ軸スピンドル１９がＺ軸方向に駆動されることにより、測定プローブ１８を、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のそれぞれに自在に移動させることができ、測定プローブ１８の先端を被検物Ｍの表面に当接させたり、被検物Ｍの表面の像を所望の位置から撮像することで、被検物の三次元形状が測定される。
【００２１】
次に、図２は、図１のＺ軸ガイド１７に組み込まれるＺ軸駆動機構の構成例を示す図である。図２には、Ｚ軸に沿った断面におけるＺ軸駆動機構の断面図が示されている。
【００２２】
Ｚ軸駆動機構２１は、円筒形状のＺ軸スピンドル１９のＺ軸方向への移動をガイドするエアベアリング２２−１および２２−２と、Ｚ軸スピンドル１９をＺ軸方向に駆動するシャフトモータ２３とを有している。
【００２３】
エアベアリング２２−１および２２−２は、Ｚ軸スピンドル１９が貫通可能なリング形状の部材であり、その内周面に向かって空気を吐出することで、５μｍ程度の空気の膜を形成し、Ｚ軸スピンドル１９の外周面を非接触で支持してＺ軸方向への移動をガイドする。
【００２４】
また、エアベアリング２２−１および２２−２は、図１の門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿って移動するＸスライダ（図示せず）に固定される支持部材２４に形成された貫通穴２４ａに装着されている。図２に示すように、エアベアリング２２−１は、支持部材２４の貫通穴２４ａの上端側に装着され、エアベアリング２２−２は、支持部材２４の貫通穴２４ａの下端側に装着されている。
【００２５】
シャフトモータ２３は、Ｚ軸方向に沿った細長い軸であるシャフト２５と、シャフト２５の周囲に装着されるスライダ２６とを備えて構成され、シャフト２５とスライダ２６との間には１ｍｍ程度の間隔が設けられている。
【００２６】
シャフト２５は、鉛直方向に延びるように配置され、軸方向に沿って磁極が交互になるように配置された多数の円柱型の永久磁石を有している。また、シャフト２５は、その上端が昇降部材支持部２７に固定されており、昇降部材支持部２７が支柱２８により支持部材２４に固定されている。即ち、シャフト２５は、昇降部材支持部２７および支柱２８を介して支持部材２４に固定されている。
【００２７】
スライダ２６は、Ｚ軸スピンドル１９の上壁部１９ａの上面に固定されており、スライダ２６には、複数のコイル（図示せず）が内蔵されている。そして、スライダ２６のコイルに電流を流すと、このコイルに発生する磁界と、シャフト２５が有する永久磁石の磁界とにより、シャフト２５に沿ってスライダ２６を動かす磁力、即ち、スライダ２６が固定されているＺ軸スピンドル１９を駆動させるための駆動力が発生する。
【００２８】
また、シャフト２５は、Ｚ軸スピンドル１９に内蔵されているエアシリンダ２９のシャフトとしても利用される。即ち、Ｚ軸駆動機構２１は、シャフトモータ２３とエアシリンダ２９とが、シャフト２５を共用するように構成されている。
【００２９】
エアシリンダ２９は、円筒形状のシリンダケース３０と、シリンダケース３０内を摺動する円盤形状のピストン板３１とにより構成され、Ｚ軸スピンドル１９から、シャフトモータ２３および測定プローブ１８までの重量に見合う押上力をＺ軸スピンドル１９の移動に応じて発生する。
【００３０】
シリンダケース３０は、Ｚ軸スピンドル１９の上壁部１９ａの下面に固定されており、その内部がピストン板３１により上側シリンダ室３２と下側シリンダ室３３とに分断されている。なお、シリンダケース３０においてシャフト２５が貫通している貫通穴には、図示しないゴムパッキンが装着されており、上側シリンダ室３２と外部との間の気密性が確保されている。
【００３１】
ピストン板３１は、シャフト２５の下端に固定されており、その円周面に沿って設けられた溝に嵌め込まれているＯリング３４により、上側シリンダ室３２と下側シリンダ室３３との間の気密性を確保している。また、上述したようにシャフト２５の上端は昇降部材支持部２７に固定されており、シャフト２５によりＺ軸スピンドル１９の重量が支持されている。
【００３２】
また、上側シリンダ室３２は、図示しないエア供給源にエアホースを介して接続されているとともに、下側シリンダ室３３は大気圧に開放されている。そして、エア供給源から供給される圧縮空気により上側シリンダ室３２の内圧が大気圧以上に設定され、上側シリンダ室３２の内圧とＺ軸スピンドル１９等の重量（Ｚ軸スピンドル１９を含みシャフト２５により支持される全ての構成要素の重量）とが均衡するように、上側シリンダ室３２の内圧が調整される。
【００３３】
例えば、シャフトモータ２３による駆動に従ってＺ軸スピンドル１９が上昇すると、上側シリンダ室３２の容積の増加に応じて上側シリンダ室３２に圧縮空気が供給され、シャフトモータ２３による駆動に従ってＺ軸スピンドル１９が降下すると、上側シリンダ室３２の容積の減少に応じて上側シリンダ室３２内の圧縮空気が排出される。このように、Ｚ軸スピンドル１９に内蔵されているエアシリンダ２９が、Ｚ軸スピンドル１９の移動に従って上側シリンダ室３２内の圧縮空気を調整することで、Ｚ軸スピンドル１９の重量を支持するバランサとして機能する。
【００３４】
このようにエアシリンダ２９によりＺ軸スピンドル１９等の重量のバランスがとられているので、シャフトモータ２３がＺ軸スピンドル１９を駆動する際には、Ｚ軸スピンドル１９等の重量を考慮する必要がなく、Ｚ軸駆動機構２１では、シャフトモータ２３によりＺ軸スピンドル１９を正確に駆動することができる。
【００３５】
また、シャフトモータ２３とエアシリンダ２９とによりシャフト２５を共用しているので、エアシリンダ２９を利用したＺ軸スピンドル１９の重量を支持する軸と、シャフトモータ２３によるＺ軸スピンドル１９を駆動するための軸とが一致する。これにより、シャフトモータ２３によりＺ軸スピンドル１９を駆動させる際に、不要なモーメントが発生することがなく、Ｚ軸スピンドル１９をスムーズに駆動させることができる。
【００３６】
そして、シャフトモータ２３では、シャフト２５とスライダ２６とが非接触で駆動するので、シャフト２５の軸方向と、エアベアリング２２−１および２２−２によるＺ軸スピンドル１９の移動方向との平行度に誤差が生じていたとしても、Ｚ軸スピンドル１９のＺ軸方向への駆動を高精度に行うことができる。
【００３７】
即ち、シャフト２５とスライダ２６とが非接触であるので、シャフト２５の軸方向とＺ軸スピンドル１９の移動方向との平行度に誤差が生じていても、シャフト２５とスライダ２６との間の間隔が変化するだけで、シャフト２５がスライダ２６に対して水平方向に向かう力を発生させることがない。これにより、そのような力によりシャフト２５が傾斜することも回避され、Ｚ軸スピンドル１９のＺ軸方向への駆動を高精度に行うことができ、Ｚ軸方向への移動時におけるＺ軸スピンドル１９の位置決め精度を向上させることができる。
【００３８】
例えば、Ｚ軸スピンドルを駆動させる駆動機構が、シャフトを挟み込む一対のローラを有する摩擦力駆動機構である場合、シャフトとローラとの間に隙間がなく、シャフトの軸方向とＺ軸スピンドルの移動方向との平行度に誤差が生じていた場合には、シャフトを傾斜させる力が発生するため、Ｚ軸スピンドルのＺ軸方向への駆動精度が低かった。これに対し、Ｚ軸駆動機構２１は、シャフトモータ２３を利用しているため、シャフト２５を傾斜させるような力が発生することを回避することができ、Ｚ軸スピンドル１９のＺ軸方向への駆動精度を向上させることができる。
【００３９】
そして、Ｚ軸スピンドル１９のＺ軸方向への駆動を高精度に行うことができるので、Ｚ軸駆動機構２１が門型フレーム１５に装着されて構成される測定装置１１では、Ｚ軸スピンドル１９の先端に設けられる測定プローブ１８を高精度に駆動させることができ、測定精度を向上させることができる。
【００４０】
さらに、シャフトモータ２３を利用することで、測定プローブ１８を制御する際の応答性を向上させることができるとともに、測定プローブ１８の直進性を向上させることができる。また、上述のような摩擦力駆動機構よりも、駆動力を高トルク化することができ、部品点数を削減することができるとともに、装置の組み立ておよび装置の調整を容易に行うことができる。例えば、シャフト２５の軸方向とＺ軸スピンドル１９の移動方向との平行度の調整を、従来ほど厳格に行わなくても、高精度で測定することができる。
【００４１】
また、シャフトモータ２３は、スライダ２６のコイルへの電力の供給がオフされると、Ｚ軸スピンドル１９とシャフト２５の間に力が発生しない一方、エアシリンダ２９によりＺ軸スピンドル１９等の重量が相殺されているため、手動で、Ｚ軸スピンドル１９を容易に動かすことができる。これにより、例えば、被検物Ｍの測定時に、被検物Ｍの近傍まで測定プローブ１８を手動により移動させた後、シャフトモータ２３による測定プローブ１８の駆動に切り替えるという使用ができ、測定装置１１の使い勝手を向上させることができる。
【００４２】
ところで、シャフトモータ２３は、スライダ２６のコイルに流れる電流により発熱するので、Ｚ軸駆動機構２１は、その熱による駆動（測定）への悪影響を抑制するため、シャフトモータ２３を冷却する冷却手段を設けることが好ましい。
【００４３】
次に、図３は、図１のＺ軸ガイド１７に組み込まれるＺ軸駆動機構の他の構成例を示す図である。なお、図３に示されているＺ軸駆動機構５１において、図２のＺ軸駆動機構２１と共通する構成要素については、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。
【００４４】
Ｚ軸駆動機構５１では、図示しないエア供給源に接続されているエアホース５２が、分岐部材５３およびレギュレータ５４を介して、エアシリンダ２９の上側シリンダ室３２に接続されている。レギュレータ５４は、上側シリンダ室３２に供給される圧縮空気の空気圧を調整する。
【００４５】
分岐部材５３において分岐されたエアホース５５は、絞り弁５６を介して、シャフトモータ２３に向かって開放されている。即ち、エア供給源からの圧縮空気が、絞り弁５６により流量が調整されて、エアホース５５の先端からシャフトモータ２３に吹き掛けられる。
【００４６】
また、Ｚ軸スピンドル１９をＺ軸方向の上側に移動させる際に、エアシリンダ２９の下側シリンダ室３３から流出する空気は、シリンダケース３０の下端近傍に形成されている穴部５７を介して、図３中の点線の矢印で示されるように、Ｚ軸スピンドル１９の上壁部１９ａに形成されている穴部５８からＺ軸スピンドル１９の外部に流出する。さらに、Ｚ軸スピンドル１９の外側から内側に向かうに従い下側から上側に向かうような傾斜面を有する傾斜部材５９が、Ｚ軸スピンドル１９の内壁面の穴部５８の上方に設置されており、穴部５８から流出する空気が、傾斜部材５９の傾斜面により案内されてシャフトモータ２３に向かって吹き掛けられる。
【００４７】
また、Ｚ軸駆動機構５１では、Ｚ軸スピンドル１９の上壁部１９ａとシャフトモータ２３との間に断熱部材６０が配置されている。即ち、シャフトモータ２３は、断熱部材６０を介してＺ軸スピンドル１９に固定されている。そして、断熱部材６０により、シャフトモータ２３のスライダ２６において発生した熱がＺ軸スピンドル１９およびエアシリンダ２９に伝導することが防止される。
【００４８】
以上のように構成されているＺ軸駆動機構５１では、シャフトモータ２３に対して圧縮空気が吹き掛けられるとともに、エアシリンダ２９の排気が吹き掛けられるので、シャフトモータ２３の温度上昇を抑制することができる。さらに、断熱部材６０によりＺ軸スピンドル１９およびエアシリンダ２９への熱の伝導を防止することができるので、シャフトモータ２３において発生した熱によるＺ軸スピンドル１９の駆動への悪影響を防止することができる。これにより、Ｚ軸スピンドル１９の移動精度をさらに向上させることができ、測定装置１１における測定精度をさらに向上させることができる。
【００４９】
なお、シャフトモータ２３を冷却する冷却手段としては、上述のように圧縮空気を吹き掛けたり、エアシリンダ２９から排出される空気吹き掛けたりするように構成する他、Ｚ軸スピンドル１９の上方にファンを設け、そのファンによりシャフトモータ２３に空気を送風するように構成してもよい。
【００５０】
また、Ｚ軸駆動機構２１または５１は、シャフトモータ２３の他、リニアモータなど、シャフト２５に対して非接触でＺ軸スピンドル１９を駆動する駆動手段により構成することができる。また、エアシリンダ２９の替わりに油圧式のシリンダを使用してもよい。
【００５１】
さらに、Ｚ軸駆動機構２１または５１は、測定装置１１の他、例えば、加工装置や塗装装置など、Ｚ軸方向に各種のツールを駆動させる装置に採用することができる。
【００５２】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１１  測定装置，  １２  架台，  １３  定盤，  １４  傾斜回転テーブル，  １５  門型フレーム，  １５ａ  Ｘ軸ガイド，  １５ｂ  駆動側柱  １５ｃ  従動側柱  １６  ヘッド部，  １７  Ｚ軸ガイド，  １８  測定プローブ，  １９  Ｚ軸スピンドル，  ２１  Ｚ軸駆動機構，  ２２−１および２２−２  エアベアリング，  ２３  シャフトモータ，  ２４  支持部材，  ２４ａ  貫通穴，  ２５  シャフト，  ２６  スライダ，  ２７  昇降部材支持部，  ２８  支柱，  ２９  エアシリンダ，  ３０  シリンダケース，  ３１  ピストン板，  ３２  上側シリンダ室，  ３３  下側シリンダ室，  ３４  Ｏリング，  ５１  Ｚ軸駆動機構，  ５２  エアホース，  ５３  分岐部材，  ５４  レギュレータ，  ５５  エアホース，  ５６  絞り弁，  ５７および５８  穴部，  ５９  傾斜部材，  ６０  断熱部材
【図１】
2011135751.tif 000003
【図２】
2011135751.tif 000004
【図３】
2011135751.tif 000005