(57)【要約】座標測定器(CMM)等の精密測定装置は、温度変化及び温度勾配による変形を非常に受けやすい。公知のCCMにおいて、このような変化は、装置の部分に絶縁PUR層を設けることによって抑制される。本発明によれば、前記測定装置の計測フレーム(2)は、熱シールド(12、15)を備えており、これは、比較的低い耐熱性を有する内側の層(12)及び比較的高い耐熱性を有する外部層(14)を有する。計測フレーム(2)の変形を引き起こす温度勾配はこのように効果的に低減される一方、均一な温度変化は、容易にソフトウェア補正で補償されることができる。更に、シールドは、短期の入熱により温度擾乱を低減させるローパスフィルタとして作用する。
2004525380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の測定又はマシニングのための装置であって、当該装置は、当該装置のフレームに対して位置決めされるべき装置部分を位置決めするための位置決め手段を備え、当該装置の前記フレームは、少なくとも部分的に熱シールドが設けられた計測フレームを含む、装置において、前記熱シールドは少なくとも内側シールド層及び外側シールド層から成り、前記外側シールド層は前記内側シールド層の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項1に記載の装置において、前記内側シールド層は空気によって形成される、装置。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の装置において、前記外側シールド層は金属によって形成される、装置。
【請求項４】
請求項3に記載の装置において、前記金属はアルミニウムである装置。
【請求項５】
請求項1乃至4の何れか1項に記載の装置において、前記外側シールド層の外側は、前記外側シールド層の材料の放射吸収係数よりも低い放射吸収係数を有する表面層を備えた、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の測定又はマシニングのための装置であって、当該装置は、当該装置のフレームに対して位置決めされるべき装置部分を位置決めするための位置決め手段を備え、当該装置の前記フレームは、少なくとも部分的に熱シールドが設けられた計測フレームを含む、装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種類の装置は、Springer Verlag (New York)のK.H. Breyer及びH.G. Presselによる"Progress in Precision Engineering"(pp. 56-76)の"Paving the Way to Thermally Stable Coordinate Measuring Machines"という題の出版物より知られている。精密測定装置は、例えば、部品取付装置、集積回路の製造のためのウエハステッパ、プリンタ、又は、測定されるべき物体の形状を決定するための座標測定装置において用いられることができる。一般的に言って、時間的及び空間的な温度変動が、このような装置における位置決め及び/又は測定の不確定性の主要な原因になる。
【０００３】
熱的擾乱に対して低い感受性を呈する装置を実現するには、(非常に)低い熱膨張係数を持つ物質からなる、精度について安定した装置又は少なくとも装置の一部(計測フレーム)を製造することが適切である。膨張係数が通常の構造金属の膨張係数よりも1000倍小さいこのような物質は、例えばZerodur(TM)として知られている。しかし、この物質は、通常の構造金属よりも大幅に高価であり、この物質にマシニング動作を実行するのが困難であるという欠点を有する。
【０００４】
測定装置における熱的擾乱の問題を解決する他の手法は、測定装置全体に、又は、装置の測定の精度に比較的強い影響を及ぼす装置部分に、断熱を提供することである。引用文献は、(特にページ74で)、測定されるべき物体を収容するためのグラナイトテーブルを備えた精密測定装置について説明する。この公知の装置は、ブリッジ状キャリアの形の位置決め手段を含む計測フレームを更に備えており、これらブリッジ状キャリアは、x方向、y方向及びz方向に装置の部分(即ち測定プローブの形の部分)を移動させるためのものである。これらのブリッジ状キャリアの部分及びグラナイトテーブルの部分は、ポリウレタンフォームの絶縁層を備えている。この絶縁層は熱シールドを形成するとみなすこともできる。
【０００５】
本発明においては、物体を測定又はマシニングする装置のための計測フレームは、装置のフレームの部分であって、当該装置のフレームに対して位置決めされるべき装置部分の位置に関する情報を決定する部分を意味すると理解されるべきものである。従って、装置の部分又は測定されるべき物体の支持又は位置決めに寄与する装置のフレームの部分であっても、前記の情報を転送しない部分は、測定フレームの一部を形成しない。
【０００６】
この公知の断熱方法は、断熱されていない装置と比較すると改善を示すが、公知の装置は依然として多くの熱的な影響を受ける。低い熱膨張係数を持つ上記の物質を一部に用いることにより、後者の影響を抑制することが試みられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、熱的擾乱の影響がより強く抑制されるような上記の種類の装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このために、本発明による装置は、熱シールドが少なくとも内側シールド層及び外側シールド層から成り、前記外側のシールド層が、前記内側シールド層の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する、ことを特徴とする。
【０００９】
本発明は、2つの事実の認識に基づくものである。第1の事実は、実際の状況においては装置の温度変化を完全に防止することは不可能であるという認識である。従って、自動データ処理のシステム(装置の制御及び測定された量の処理のためのコンピュータ)を通常備えたこの種類の装置は、データのソフトウェア補正を、装置の位置において測定された温度変化に基づいて、測定されるべき実際の値(即ち測定されるべき物体の寸法)がより良く近似されるような態様で実行するように構成される。この第1の見識は、装置の重要部分の変形挙動が適切に予測されることができる場合に、このようなソフトウェア補正が大幅に信頼性が高い態様で実行されることができることを意味する。後者は、装置の温度は、公称温度から外れてはいるが、装置全体について事実上同じであるという場合である。その場合には、1つの温度センサのみが必要であり、更に、ソフトウェア補正は、より小さな補正の不確実性が得られるように、装置の測定フレームの予想される形状寸法誤差に高度に対応する。シールドは、外側(即ち熱的擾乱の影響が発生する側)に、適切に熱伝導する外部層を備えており、この層が、その適切な伝導度のためいかなる温度差をも高度に中和するため、均一に分布した温度変化に関する要件は、高度に満たされる。依然残っているいかなる小さい温度差も、熱的に絶縁した内側層による完全な減衰の後にのみ装置の計測フレームへ伝達されるため、温度変化は非常に小さい。
【００１０】
本発明の基礎となる第2の見識は、いかなる温度変動も、時間的に短いほど、即ち、比較的高い周波数を持つほど、大きな擾乱効果を有するというものである。これは、シールド外の突然の温度変化が生じると、シールド内の物質は加えられた温度変化を伝導によって均一化する時間が無いので、シールドの中に温度差が生じるということを認識することにより、理解することができる。既に説明されたように、温度差は防止しなければならない。後者の条件は、計測フレームに対する熱の伝達が起こることができる前に最初に加熱されなければならない外側シールド層の熱容量によって満たされる。この場合、2つのシールド層の組合せは、温度変動に対するローパスフィルタとして作用する。
【００１１】
本発明の有利な実施例の内側シールド層は、空気によって形成される。この実施例は、安価であり、層の内側には装置の敏感な測定領域を汚染し得る物質が無いという利点を与える。更に、圧力接触が絶縁空気と周囲空気との間で実現される場合、装置は、調節された雰囲気においても容易に用いられることができる。この場合には、その低圧条件(部分的又は完全な真空)における使用も問題にはならない。なぜなら絶縁空気も自動的に排出されるからである。固体材料(例えばポリウレタンフォーム)の形の内側シールド層に対する、内側シールド層における空気の使用(一般的に言ってガスの使用)の他の利点は、計測フレームと接触する固体材料は、熱的に変形する場合に計測フレームに力を加えるということである。このような力が小さい場合であっても、精密測定(ナノメートルオーダーの移動の測定)のための装置においては、このような力は依然として計測学フレームに許容できない変形を生じさせ得る。空気が用いられれば、このような力は発生しない。空気層の厚みは、中でも装置の寸法に、そして、それゆえに、シールドの寸法に依存するが、好適には、対流を防止するために約2cmより大きくない。
【００１２】
本発明の他の有利な実施例の外側シールド層は、金属でできている。この物質は、容易にマシニングされることができて、比較的良い熱導体を構成する。この金属は、好適にはアルミニウムである。シールドのアルミニウム層の厚みは、中でも装置の寸法に、そして、それゆえに、シールドの寸法に、更に、外部温度差の抑制の所望の程度に依存するが、好適には3mmよりも大きい。
【００１３】
本発明の他の実施例において、外側シールド層の外側は、外側シールド層の材料の放射吸収係数よりも小さい放射吸収係数を有する表面層を備えている。このステップは、このような装置に作用する熱の多くが装置の近くの放射源から生じるという事実の認識に基づく。装置がシールドの有る空間に配置されたときでさえ、働いているスタッフは装置に依然として熱を放射し、多くの場合において、他の放射している光源もまた存在する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は以下で図を参照して説明され、図中で対応する要素は対応する参照記号によって示される。
【００１５】
図1は、物体を測定又はマシニングするための装置の部分を示す。例えば、このような装置において、測定されるべき物体の寸法又は形状が決定されなければならない。示されている装置の部分は、計測フレーム2を含み、測定装置の場合、この計測フレーム2は、測定されるべき物体6を感知するための測定プローブ4を移動させる。この物体は、図に示されない位置決め手段によって3つの座標方向に移動可能である物体キャリア8上に配置される。従って、この場合、装置のフレーム(即ち計測フレーム2)に対して位置決めされる装置の部分は、物体キャリア8である。
【００１６】
物体の測定は、物体キャリアを物体と接触するまで測定プローブに対して移動させ、物体キャリアの関連した位置を記録することによって、実行される。計測フレームに対する物体キャリアの位置を決定するために、それ自体は公知であり干渉原理に基づいて動作するレーザ距離センサのシステムが、提供される。このような態様で物体キャリア8の位置を決定するために、この物体キャリアは3つのミラー(図示せず)を備え、各ミラーは、この物体キャリアの外側のそれぞれの座表面に位置している。各ミラーには、それぞれのレーザ光源10a、10b及び10cが関連している。これらのレーザは別個のレーザであってもよいが、その光源は単一のレーザによって形成されてもよく、ここからのみ、例えば光ファイバを介して、各ミラーの方向にレーザ光が導かれる。このようなレーザ光源及びミラーを用いて、物体キャリアの位置の正確な決定のための、干渉原理に基づいて動作するレーザ距離センサが形成される。レーザ距離センサから導かれる信号はコンピュータ(図示せず)に加えられ、このコンピュータが、この信号に基づいて、駆動部材が所望の位置に到達するように駆動手段を制御する。
【００１７】
物体キャリア8を3つの座標方向に移動させる位置決め手段(図示されない)は、物体キャリア8の支持及び位置決めに寄与するが、物体キャリアの位置に関する情報は、これらの位置決め手段によって転送されないため、これらの手段は計測フレームの一部を形成するものではないことに留意する必要がある 。
【００１８】
図2は、装置の構造部分の温度に対するシールド層の影響のグラフ表示である。図2の左側部分の上の図は、測定フレーム2の断面を線A-A(図1を参照)に沿って示す一方、図2の右側部分は計測フレームの類似した断面を示し、この場合このフレームは熱シールドを備え、この熱シールドは大気の内側シールド層12及びアルミニウムの外側シールド層14から成る。この場合、外側シールド層14が内側シールド層12の熱伝導率よりも大幅に高い熱伝導率を呈することは、明らかである。
【００１９】
2つの断面A-Aの左側において、所与の熱の流れ16a及び16b(即ち、単位時間、単位照射面積あたり所与の熱量)がそれぞれ作用すると仮定される。作用する熱の流れは、熱伝達によって環境に再び放散するため、静止状態においては、関連した温度分布が2つの断面において発生する。
【００２０】
2つの断面において発生する温度分布は、図2の2つの下方部分において、グラフで表される。これらの温度分布は、2D(二次元)有限要素法によって計算された。断面A-Aが200×30mmの寸法を有し、空気の層12及びアルミニウム層14が両方とも5mmの厚みを有し、熱の流れ16a及び16bが30W/m2であり、アルミニウムから大気への移動係数が5W/m2Kであると、仮定された。断面A-Aの左端と右端との間の温度差ΔTは、距離xの関数として2つのグラフの縦軸にプロットされる。この温度差は、シールドの無い断面ではほぼ0.02℃である一方で、シールドの有る断面ではほぼ0.001℃であることが分かった。このように、示されるシールドは、温度差をほぼ20分の1に減少させる。
【００２１】
図3は、シールド層の有る装置及び無い装置の計測フレーム2(図1)の断面A-Aの時間の関数としての温度挙動のグラフ表示である。図の上方部分はラインA-Aに沿った計測フレーム2の断面を表す一方、図の下方部分は計測フレームの類似した断面を示すが、こちらは、大気の内側シールド層12及びアルミニウムの外側シールド層14からなる熱シールドを備えている。
【００２２】
図2と同様に、所与の熱の流れ16a及び16bがそれぞれ、2つの断面A-Aの左側に作用すると仮定される。作用する熱の流れは、時間の関数として断面A-Aの温度を増加させる。ローパスフィルタの影響を示すために、温度は断面の左側の中心18に選択される。
【００２３】
2つの断面の時間の関数としての点18の温度変化は、図3においてグラフで表され、ここで、曲線Iはシールド有りの状況を表す一方曲線IIはシールド無しの状況を表す。これらの温度変化は、二次元有限要素法によって計算された。この計算のために、図2に関するのと同じ仮定がなされた。点18の温度増加ΔT(t)は、グラフの縦軸上に時間の関数としてプロットされる。シールド有りの状況(曲線II)の500分後の温度増加が単位として選ばれる。短い期間、即ち約150分よりも短い期間においては、シールドの有る断面(曲線II)についての温度増加が、シールドの無い断面(曲線I)よりも大幅に小さいことが分かった。これは、熱シールドの温度変化に対するローパスフィルタとして効果を示す。
【００２４】
図4は、シールド層の有る装置及び無い装置の計測フレーム2に対する周囲温度の影響を、時間の関数として多くのグラフ表示で示す。ここで計測フレームは、温度変化が時間の関数として起こる部屋の密閉箱20に配置される。密閉箱の壁はポリカーボネートでできていて、赤外放射を遮断する層でコーティングされているため、作業中のスタッフ又は部屋の照明からの熱放射は低減させられる。熱シールドの無い計測フレーム24及び本発明による熱シールドの有る計測フレーム26が、図4eに示すように密閉箱20中のテーブル22上に配置される。図4aは、部屋の雰囲気の測定された温度変化TR(t)を示し、図4bは、密閉箱の中の雰囲気の測定された温度変化TE(t)を示し、図4cは、シールドの無い計測フレーム24(シールド無し)の測定された温度変化TU(t)を示し、図4dは、シールドの有る計測フレーム26(シールド有り)の測定された温度変化TS(t)を示す。
【００２５】
温度変化は、6時間に亘って測定される。グラフ4aは、室温TR(t)が約0.46時間中に約2.2℃の変化を呈するのに対し、密閉箱内の温度変化TE(t)(図4b)が約0.2℃にしかならないことを示す。密閉箱内の温度変化TE(t)によって起こったシールドの無い測定フレーム24の短期的な温度変化TU(t)は、0.015℃のオーダーに低減されたようである。シールドの無い測定フレーム24の平均温度の長期的な変化は部屋の平均温度の長期的な変化に基づいて説明可能であり、この変化は図4aのより大きいスケール値のため、ほとんど表されない。本発明による熱シールドの有利な効果は、図4dに明らかに見ることができ、この図は、シールドの有る測定フレーム26の短期的な温度変化(これにより擾乱温度変化が生じ得る)が、0.002℃のオーダーであることを示している。既に述べられたように、シールドの有る計測フレーム26の平均温度の長期的な変化は、擾乱温度変化をほとんど生じない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による装置の関連部分の斜視図である。
【図２】本装置の構造部分の温度に対するシールド層の影響のグラフ表示である。
【図３】シールド層を備えた装置の構造部分の熱的な挙動の時間の関数としてのグラフ表示である。
【図４（ａ）】シールド層を備えた装置の構造部分への時間の関数としての周囲温度の効果の多くのグラフ表示を示す。
【図４（ｂ）】シールド層を備えた装置の構造部分への時間の関数としての周囲温度の効果の多くのグラフ表示を示す。
【図４（ｃ）】シールド層を備えた装置の構造部分への時間の関数としての周囲温度の効果の多くのグラフ表示を示す。
【図４（ｄ）】シールド層を備えた装置の構造部分への時間の関数としての周囲温度の効果の多くのグラフ表示を示す。
【図４（ｅ）】シールド層を備えた装置の構造部分への時間の関数としての周囲温度の効果の多くのグラフ表示を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004525380.tif 000016
2004525380.tif 000017