(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイド手段によってガイドされた昇降部材を上下方向へ昇降駆動させる摩擦駆動装置であって、
前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、
前記昇降部材に設けられ前記支持軸を相挟み込む少なくとも一対のローラと、
前記ローラの少なくとも一つを回転させる回転駆動手段と、を備え、
前記支持軸および前記昇降部材のいずれか一方にはピストンが設けられ、
前記支持軸および前記昇降部材のいずれか他方には内部に前記ピストンを収納しそのピストンに対して上下方向へ相対往復運動可能なシリンダ室が設けられ、
前記シリンダ室の前記ピストンで区画された室にエアを送り込むことにより、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するエアバランス機構が設けられている
ことを特徴とする摩擦駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦駆動装置において、
前記ガイド手段は、前記昇降部材を取り囲んで垂直方向にガイドするガイド筒と、前記ガイド筒と前記昇降部材との間に設けられたエアベアリング機構を備えている
こと特徴とする摩擦駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の摩擦駆動装置を用いて、測定対象物の位置および／または座標を測定するための測定子を移動させる移動機構を構成していることを特徴とする測定機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦駆動装置およびこれを用いた測定機に関する。詳しくは、昇降部材を上下方向へ昇降駆動させる摩擦駆動装置およびこれを用いた測定機に関する。
【０００２】
【背景技術】
昇降部材を上下方向へ昇降駆動させるＺ方向駆動機構が知られている。このような昇降部材のＺ方向駆動機構は、例えば、測定対象物の位置および／または座標を測定する三次元測定機などに利用されている。
従来、Ｚ方向駆動機構は、図５に示されるように、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部材２２と、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸と平行に設けられたボールねじ軸２２１と、Ｚ軸スピンドル１２に設けられボールねじ軸２２１に螺合するボールねじナット２２２と、ボールねじ軸２２１を回転駆動させる駆動モータ２２３とを備えて構成されている。
【０００３】
ガイド部材２２はガイド筒部２２Ａを有し、このガイド筒部２２ＡにＺ軸スピンドル１２が上下方向移動可能に挿通されている。ガイド筒部２２Ａの内周にはエアーベアリング２３が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２との間にエアー膜による空気軸受けが形成されることにより、ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦抵抗が低減されている。ガイド部材２２には、垂直上方に向かって立設された支柱２５が設けられている。この支柱２５の上端には、Ｚ軸スピンドル１２の上方を覆うように、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して垂直な横梁２６が形成されている。
ボールねじ軸２２１は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸に対して平行で、かつ、一定の間隔を隔ててガイド部材２２に設けられている。ボールねじ軸２２１の上端は支柱２５の横梁２６に支持され、下端ではベルト２２４によって駆動モータ２２３と連動されている。
【０００４】
Ｚ軸スピンドル１２には、その重心近傍を通るように支持軸２８が挿通されており、この支持軸２８は支柱の横梁２６で上端を支持されている。この支持軸２８とＺ軸スピンドル１２の間には、Ｚ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させるエアバランス機構が設けられているが、詳しくは省略する。
ボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に設けられた結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に固定されているとともに、ボールねじ軸２２１に螺合されている。
【０００５】
このような構成において、駆動モータ２２３を回転駆動させると、ボールねじ軸２２１が回転される。すると、ボールねじ軸２２１とボールねじナット２２２との螺合によってボールねじナット２２２がボールねじ軸２２１に沿って移動される。このボールねじナット２２２の駆動力が結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２に伝達されるので、Ｚ軸スピンドル１２が上下方向に駆動される。
ガイド部材２２とＺ軸スピンドル１２との間は、エアベアリング２３によって摩擦抵抗が低減されており、また、エアバランス機構によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う力でバランスされているので、Ｚ軸スピンドル１２はなめらかに移動することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＺ方向駆動機構には次のような問題があった。
Ｚ軸スピンドル１２に駆動力を与えるボールねじ軸２２１およびボールねじナット２２２は、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸から距離を隔てて配置されている。ボールねじナット２２２の駆動力は、結合部材１２１を介してＺ軸スピンドル１２の外側面に伝達される。その結果、Ｚ軸スピンドル１２の重心に対しては、Ｚ軸スピンドル１２の移動軸とは交差する方向にトルクが発生するため、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じる。この影響は、Ｚ方向駆動機構を測定機などに用いた場合には測定誤差に繋がる。
また、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性を確保するためには、ガイド部材２２の剛性をあげるなどの対策が特別に必要となる。
さらに、ボールねじ軸２２１をガイド部材２２のガイド方向と平行に設ける調整等の工程が必要とされるので、組立工程も増えるという問題があった。
その他、ボールねじの騒音レベルが大きいことなども問題であった。
【０００７】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、昇降部材の移動の垂直性を確保することができる摩擦駆動装置を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の摩擦駆動装置は、ガイド手段によってガイドされた昇降部材を上下方向へ昇降駆動させる摩擦駆動装置であって、前記昇降部材の重心位置近傍で、かつ、前記ガイド手段によるガイド方向に略平行に配置された支持軸と、前記昇降部材に設けられ前記支持軸を相挟み込む少なくとも一対のローラと、前記ローラの少なくとも一つを回転させる回転駆動手段とを備え、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか一方にはピストンが設けられ、前記支持軸および前記昇降部材のいずれか他方には内部に前記ピストンを収納しそのピストンに対して上下方向へ相対往復運動可能なシリンダ室が設けられ、前記シリンダ室の前記ピストンで区画された室にエアを送り込むことにより、前記昇降部材の重量に見合う押上力を発生するエアバランス機構が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成において、回転駆動手段によってローラの少なくとも一つが回転されると、支持軸を挟み込みながらローラが回転される。すると、ローラには支持軸との摩擦力によって上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。ローラは昇降部材に設けられているので、ローラとともに昇降部材には上方向もしくは下方向に移動する力が生じる。よって、昇降部材がガイド手段によってガイドされつつ上方向もしくは下方向に移動される。
本発明によれば、昇降部材を移動させる力はローラと支持軸との間で生じる。支持軸は昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に配置されているので、昇降部材を移動させる力も同様に、昇降部材の重心位置近傍でかつガイド手段のガイド方向と略平行に働く。
従来、昇降部材に働く力は、昇降部材の外側面に作用していたため、昇降部材の重心位置に対しては、ガイド手段のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、昇降部材にはガイド方向とは交差する力が働き、昇降部材の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本発明によれば、昇降部材に働く力は、昇降部材の重心を通る移動軸に沿って作用するので、昇降部材はガイド手段に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。さらに、ボールねじによる駆動に比べてローラで支持軸を挟み込む構成は、ボールねじナットが必要ではないので、摩擦駆動装置を小型化することができ、また、ボールねじのボールねじ軸を昇降部材の移動軸と平行になるように調整する必要もないので、本発明の摩擦駆動装置は低コストで製造できる。
【００１１】
また、このような構成によれば、シリンダ室のエアを送り込まれた室とエアを送り込まれなかった室との間に内圧の差が生じ、この内圧の差からピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力が生じる。ピストンとシリンダは互いに摺動可能であるが、支持軸は垂直方向には移動されないので、ピストンおよびシリンダ室の内壁を押圧する力は、実質的に昇降部材に作用する。ピストンで区画されたシリンダ室のうち、エアーを送り込む室を適宜選択することによって、昇降部材を重力に抗して押し上げる方向に力を作用させることができる。このように、昇降部材に押上げる力を作用させ、その重量に見合う押上力で押し上げると、昇降部材の重量はローラにかからないこととなる。よって、ローラで支持軸を相挟み込んで、ローラと支持軸の摩擦力で昇降部材を上下に移動させる際に、ローラに昇降部材の重量による負荷がかからないので、ローラの駆動力で昇降部材の移動を精密に制御することができる。さらに、ローラの駆動力で昇降部材の重量を支える必要はないので、ローラの駆動力は小さい力でよく、動力の小さな回転駆動手段を用いることができるので、低コスト化に繋がる。
【００１２】
本発明では、前記ガイド手段は、前記昇降部材を取り囲んで垂直方向にガイドするガイド筒と、前記ガイド筒と前記昇降部材との間に設けられたエアベアリング機構を備えていることが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、ガイド手段のガイド筒によって、昇降部材は垂直方向にガイドされるので、昇降部材の移動の垂直性が確保される。ガイド筒と昇降部材との間にはエアベアリング機構が設けられているので、ガイド筒と昇降部材との間の摩擦を低減することができ、昇降部材をなめらかに、且つ、軽い力で移動させることができる。
【００１６】
本発明の測定機は、前記摩擦駆動装置を用いて、測定対象物の位置および／または座標を測定するための測定子を移動させる移動機構を構成していることを特徴とする。
【００１７】
このような構成によれば、請求項１〜４に記載の発明の効果を利用した測定機を構成することができるので、測定子の移動の垂直性を確保できる測定機とすることができる。その結果、この測定機を用いた測定の測定精度を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる摩擦駆動装置およびこれを用いた測定機の実施の形態を図示例と共に説明する。
図１は、本発明にかかる摩擦駆動装置を測定機としての三次元測定機１に用いた一実施形態である。
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方向駆動機構３と、測定子１３をＸ方向へ移動させるＸ方向駆動機構７と、測定子１３をＺ方向へ移動させる摩擦駆動装置としてのＺ方向駆動機構１１を備えている。
【００１９】
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方向駆動機構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５Ｌと、Ｙスライダ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５Ｌ、ベース２とＹスライダ６Ｒとの間にはエアベアリングが設けられているが、説明を省略する。
【００２０】
Ｘ方向駆動機構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との間にはエアベアリングが設けられているが詳細は省略する。
【００２１】
Ｚ方向駆動機構１１は、図２に示されるように、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手段としてのガイド筒２２と、上端を揺動支持され下端にピストン２９を有しＺ軸スピンドル１２の重心近傍を通るようにＺ軸スピンドル１２に挿通された支持軸２８と、前記Ｚ軸スピンドル１２と支持軸２８との間に設けられた摩擦駆動手段１４と、これらをハウジングするハウジング部３２とを備えて構成されている。
【００２２】
Ｚ軸スピンドル１２は、長角柱状に形成され、ガイド筒２２によって垂直方向にガイドされている。Ｚ軸スピンドル１２の下端には測定対象物に接触し、測定対象物の位置および／または座標を測定するための測定子１３が設けられている。Ｚ軸スピンドル１２の上端にはこのＺ軸スピンドル１２を上下方向に駆動させるための摩擦駆動手段１４が設けられている。
【００２３】
この摩擦駆動手段１４は、図３に示されるように、支持軸２８を相挟み込む一対のローラである駆動ローラ１５および従動ローラ１６と、駆動ローラ１５を駆動させるモータ１７とを備えて構成されている。駆動ローラ１５と従動ローラ１６は所定の押圧力で支持軸２８を挟み込み、両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる摩擦力で両ローラ１５、１６が支持軸２８に対して空転しない構成となっている。
駆動ローラ１５とモータ１７にはそれぞれプーリ１５１、１７１が設けられ、このプーリ１５１，１７１に掛け渡されたベルト１８を介してモータ１７の動力が駆動ローラ１５に伝達される。
【００２４】
Ｚ軸スピンドル１２の内部にはエアバランス機構１９が設けられている。このエアバランス機構１９は、Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０と、支持軸２８のピストン２９とから構成され、シリンダ室２０の一室２０１にエア供給されるようになっている。
Ｚ軸スピンドル１２の重心を通るようにＺ軸スピンドル１２の軸に沿ってシリンダ室２０が設けられている。このシリンダ室２０には支持軸２８の下端に設けられたピストン２９が摺動可能に挿通されている。ピストン２９に区画されたシリンダ室２０のうち、支持軸側の室２０１には、この室２０１にエアを供給する噴気孔２１が設けられている。エアは、シリンダ室２０の支持軸側の室２０１の内圧によってＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生させる程度の圧力でもって供給される。
【００２５】
ガイド筒２２は、筒孔を垂直方向に向けた状態でＸスライダ９に設けられ、Ｚ軸スピンドル１２がこのガイド筒２２に上下方向に昇降可能に挿通されている。
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間にはエアベアリング２３が設けられている。エアベアリング２３は、エアパッド２４がガイド筒２２の筒孔に設けられ、このエアパッド２４からＺ軸スピンドル１２の摺動面にエアが噴気されることによって形成されている。
【００２６】
支持軸２８は、ガイド筒２２に立設された支柱２５に上端を支持されている。支柱２５は、ガイド筒２２から少なくともＺ軸スピンドル１２の移動量以上の高さを有する位置に横梁２６を有し、この横梁２６とＺ軸スピンドル１２の移動軸の交点に孔が設けられている。支持軸２８の上端には支持軸２８と直交する面を有する鍔部３０が設けられ、この鍔部３０の上部にはボール３１が設けられている。支持軸２８は横梁２６の孔に挿通され、支持軸２８のボール３１が支柱に設けられた軸受け片２７によって軸受けされることにより支持されている。支持軸２８の下端には前述したようにピストン２９が設けられ、Ｚ軸スピンドル１２のシリンダ室２０に挿通されている。
【００２７】
ハウジング部３２は、ガイド筒２２から支柱２５を覆うようにＸスライダ９に設けられている。
【００２８】
このような構成からなる三次元測定機１において、測定対象物の位置および／または座標を測定する際には、ベース２上に測定対象物を載置し、Ｙ方向駆動機構３、Ｘ方向駆動機構７を駆動させて測定子１３を移動させ、測定対象物に測定子１３を接触させる。このときの測定子１３の位置を記録することによって、測定対象物の位置および／または座標を測定することができる。
【００２９】
Ｚ方向駆動機構１１を駆動させるときは、モータ１７を回転駆動させて駆動ローラ１５を回転させる。すると、支持軸２８を駆動ローラ１５と従動ローラ１６で挟み込みこんでいるので、この両ローラ１５，１６と支持軸２８との間の摩擦力で駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８に沿って移動される。駆動ローラ１５と従動ローラ１６が移動されると、この両ローラ１５，１６とともにＺ軸スピンドル１２がガイド筒２２にガイドされつつ上下方向に昇降され、測定子１３が移動される。
【００３０】
従って本実施形態によれば次の効果がある。
Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力は両ローラ１５、１６と支持軸２８との間で生じる。支持軸２８はＺ軸スピンドル１２の重心位置を通るシリンダ室２０に挿通されているので、Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力の作用も同様に、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置近傍を通る軸線にそって作用する。
従来、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の外側面に作用していたため、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置に対しては、ガイド筒２２のガイド方向と略平行に作用していなかった。そのため、Ｚ軸スピンドル１２にはガイド方向と交差する力が働き、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性に影響が生じるおそれがあった。
しかしながら、本実施形態によれば、Ｚ軸スピンドル１２に働く力は、Ｚ軸スピンドル１２の重心を通る移動軸に沿って作用するので、Ｚ軸スピンドル１２はガイド筒２２に沿って垂直に上下移動され、移動の垂直性が確保される。その結果、測定子１３の移動の垂直性も確保されるので、三次元測定機１の測定精度が向上される。
【００３１】
Ｚ軸スピンドル１２に設けられたシリンダ室２０のピストン２９で区画された支持軸側の室２０１には、エアが供給され、このエアはＺ軸スピンドル１２の重量に見合う押上力を発生するので、両ローラ１５，１６にはＺ軸スピンドル１２の重量がほとんどかからない。よって、両ローラ１５，１６にＺ軸スピンドル１２の重量がかからないのでＺ軸スピンドル１２の移動を精密に制御することができる。また、両ローラ１５，１６の駆動力でＺ軸スピンドル１２の重量を支えなくてもよいので、両ローラ１５，１６の駆動力は小さくてよい。つまり、駆動ローラ１５と従動ローラ１６が支持軸２８を挟みこむ力は、支持軸２８と両ローラ１５，１６との間に摩擦力を発生できる程度でよく、また、駆動力の小さなモータ１７を使用することができるので、低コスト化に繋がる。
【００３２】
ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２の間にはエアベアリング２３が設けられているので、ガイド筒２２とＺ軸スピンドル１２との間の摩擦を低減することができ、Ｚ軸スピンドル１２をなめらかに、かつ、軽い力で移動させることができる。よって、Ｚ軸スピンドル１２の移動を精密に制御でき、三次元測定機１の測定精度を向上させることができる。
【００３４】
また、従来は、Ｚ軸スピンドル１２を駆動させるために、ボールねじのボールねじ軸等を備える必要があったので、そのためのスペースが必要であったが、本実施形態においては、支持軸２８を両ローラ１５、１６で挟むだけなので、Ｚ方向駆動機構１１を小型化することができ、三次元測定機１を小型化することができる。さらには、Ｚ方向駆動機構１１が小型化されることによって、Ｘ方向駆動機構７およびＹ方向駆動機構３の必要強度も小さくできることから、三次元測定機１を小型化、低コスト化することができる。
【００３５】
尚、本発明の摩擦駆動装置は、上記実施形態にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、図４に示されるように、エアバランス機構１９を備えないものでもよい。つまり、Ｚ軸スピンドル１２にシリンダ室２０を設けず、支持軸２８にもピストン２９を設けないで、Ｚ軸スピンドル１２にＺ軸スピンドル１２の重心位置近傍を通る垂直軸に沿って支持軸２８を挿通した構成でもよい。
このような構成でも、Ｚ軸スピンドル１２を移動させる力は、Ｚ軸スピンドル１２の重心位置近傍を通るガイド方向に沿って作用するので、Ｚ軸スピンドル１２の移動の垂直性は確保される。
【００３６】
従来は、ボールねじ等によって生じる駆動力がＺ軸スピンドルの外側面に作用していたため、Ｚ軸スピンドルの重量をエアバランス機構１９で支えないと、Ｚ軸スピンドルに大きな曲げ応力がかかる構造となっていた。しかしながら、Ｚ軸スピンドルの重心近傍を通る支持軸をローラで挟む本実施形態においては、Ｚ軸スピンドルの重量を支持軸で支えることが可能である。よって、エアバランス機構を廃しても、Ｚ軸スピンドルに曲げ応力がかかることはなく、Ｚ軸スピンドルの移動の垂直性は確保される。その結果、エアバランス機構を廃した分、製造コストを削減することができる。
【００３７】
本実施形態において、支持軸２８を挟み込むローラは、駆動ローラ１５と従動ローラ１６の二つであるが、ローラは三つ以上設けられていてもよいことはもちろんである。また、モータ１７で駆動されるローラは一つではなく二つ以上でもよい。
本実施形態におけるエアバランス機構１９では、Ｚ軸スピンドル１２にシリンダ室２０が設けられ、支持軸２８にピストン２９が設けられているが、Ｚ軸スピンドル１２にピストン２９が設けられ、支持軸２８にシリンダ室２０が設けられていてもよい。
本実施形態においては、摩擦駆動装置を三次元測定機１に適用した例を示したが、本発明の摩擦駆動装置は三次元測定機１に限られず、種々の用途が考えられる。たとえば、一次元測定機（ハイトゲージ)や二次元測定機（表面粗さ測定機)はもちろん、精密加工を行う各種工作機械等にも適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の摩擦駆動装置によれば、昇降部材の移動の垂直性を確保する摩擦駆動装置を提供するとともに、測定精度が向上される測定機を提供することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる摩擦駆動装置を用いた三次元測定機を示す図である。
【図２】前記実施形態において、Ｚ方向駆動機構の断面図である。
【図３】前記実施形態において、摩擦駆動手段を上から見た拡大図である。
【図４】前記実施形態において、エアバランス機構を用いないＺ方向駆動機構の断面図である。
【図５】従来におけるＺ方向駆動機構を示す図である。
【符号の説明】
１      三次元測定機(測定機)
１１      Ｚ方向駆動機構（摩擦駆動装置)
１２      Ｚ軸スピンドル（昇降部材)
１３      測定子
１５      駆動ローラ
１６      従動ローラ
１７      モータ
１９      エアバランス機構
２０      シリンダ室
２２      ガイド筒（ガイド手段)
２８      支持軸
２９      ピストン
２０１      支持軸側の室
【図１】
0003988860.tif 000002
【図２】
0003988860.tif 000003
【図３】
0003988860.tif 000004
【図４】
0003988860.tif 000005
【図５】
0003988860.tif 000006