特許 5730451 三次元座標測定機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5730451

(24)【登録日】2015年4月17日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】三次元座標測定機

(51)【国際特許分類】

   G01B 5/008 20060101AFI20150521BHJP

   G01B 21/00 20060101ALI20150521BHJP

【ＦＩ】

   G01B5/008

   G01B21/00 E

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-1026(P2015-1026)

(22)【出願日】2015年1月6日

(62)【分割の表示】特願2014-254210(P2014-254210)の分割

【原出願日】2012年4月16日

(65)【公開番号】特開2015-92181(P2015-92181A)

(43)【公開日】2015年5月14日

【審査請求日】2015年1月6日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100119987

【弁理士】

【氏名又は名称】伊坪 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(72)【発明者】

【氏名】川上 哲司

(72)【発明者】

【氏名】大久保 信宏

(72)【発明者】

【氏名】房安 和久

(72)【発明者】

【氏名】五味 圭一郎

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−２９６１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２１０８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２４７７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２６６２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０５１８０９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特表平０８−５０９２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１４５３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７４１１１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０５８６１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６２７２７６０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００２２０３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０２２１９０１０（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 日刊工業新聞２０１２年４月１３日第６面，２０１２年 ４月１３日

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ５／００−５／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベースと、
前記ベースに設けられた移動機構と、
前記移動機構により移動される測定プローブと、を備え、前記プローブを用いて前記ベース上の被測定物を測定する三次元座標測定機であって、
前記移動機構は、
機械的なベアリングを用いたリニアガイドと、
前記測定プローブを挟んでリニアガイドの反対側に、前記ベースに対向して揺動可能な連結機構をもつエアー移動部を有するエアーベアリング機構と、を備えることを特徴とする三次元座標測定機。

【請求項2】

前記移動機構により移動される移動部の駆動点は、前記リニアガイド側に設けられ、前記エアーベアリング機構側には設けられない請求項１に記載の三次元座標測定機。

【請求項3】

前記エアーベアリング機構は、
前記リニアガイドと平行に設けられたエアーベアリング摺動案内部と、
前記エアーベアリング摺動案内部に沿って移動する前記エアー移動部と、を備え、
前記移動機構により移動される移動部は、一方が前記リニアガイドにより移動するリニア移動ユニットに取り付けられ、他方が前記エアー移動部に揺動可能に取り付けられる請求項１または２に記載の三次元座標測定機。

【請求項4】

前記移動部と前記エアー移動部の取り付け部は、球状の先端部と、少なくとも一部が円錐面である前記球状の先端部を受ける受け部と、を備える請求項３に記載の三次元座標測定機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元座標測定機に関し、特に三次元座標測定機の移動機構に関する。

【背景技術】

【0002】

物体の外形の座標を測定するために三次元座標測定機が使用される。三次元座標測定機は、ベース上に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交する３軸方向に移動する移動機構を順次構成し、最終段の３軸方向に移動可能な部材（第３移動部）に変位量測定器を設け、変位量測定器のプローブを物体の外形に接触させた時の変位量と、その時の３軸方向の座標値を合わせて、物体の表面位置座標を算出する。各移動機構による移動位置座標は、測定する座標の基礎であり、移動座標について高精度であることが要求される。

【0003】

三次元座標測定機等の移動機構は、リニアガイドを用いて実現されるのが一般的である。
図１は、リニアガイドを示す図であり、（Ａ）が外観を示す斜視図であり、（Ｂ）が断面図である。

【0004】

リニアガイドは、レール１と、レール１上をスライドして移動する移動ユニット２と、を有する。図１の（Ｂ）に示すように、移動ユニット２は、ベアリング球３を介してレール１に接触しており、移動時にはベアリング球３が回転する。図１の（Ａ）に示すように、移動ユニット２がレール１に対して回転する３方向の回転成分Ｐ、ＹおよびＲが存在する。Ｐはピッチング、Ｙはヨーイング、Ｒはローリングと呼ばれる。

【0005】

移動機構を構成する場合、上記の回転の影響を除くため、複数個のリニアガイドが使用される。例えば、同一のレール上を移動する２個の移動ユニットを同一の移動部に取り付ける。これにより、ピッチングＰおよびヨーイングＹの影響を低減できる。この場合、レールは１本であり、取り付けは比較的容易に行える。

【0006】

さらに、複数のレールと複数の移動ユニットを使用することも行われる。例えば、２本のレールを平行に配置し、それぞれのレール上に移動する２個の移動ユニットを同一の移動部に取り付ける。この場合、上記のように、各レールに２個の移動ユニットを取り付けることも行われ、その場合は４個の移動ユニットが使用されることになる。これにより、ピッチングＰおよびヨーイングＹに加えて、ローリングＲの影響も低減できる。

【0007】

図２は、三次元座標測定機の移動機構の構成例を示す図である。この構成は、いわゆる片持ち方式と呼ばれるものである。
三次元座標測定機は、合成大理石等の石定盤で作られたベース１１と、ベース１１の一方の辺に設けられたＹコラム２１と、Ｙコラム２１上に平行に設けられた２本のＹ軸レール２２Ａおよび２２Ｂと、Ｙ軸レール２２Ａおよび２２Ｂ上を移動するＹ移動部３１と、Ｙ移動部３１上に平行に設けられた２本のＸ軸レール３２Ａおよび３２Ｂと、Ｘ軸レール３２Ａおよび３２Ｂ上を移動するＸ移動部４０と、Ｘ移動部４０に固定された垂直方向に伸びるＺコラム４１と、Ｚコラム４１上に平行に設けられた２本のＺ軸レール４２Ａおよび４２Ｂと、Ｚ軸レール４２Ａおよび４２Ｂ上を移動するＺ移動部５０と、を有する。Ｚ移動部５０には、変位測定器５１が取り付けられ、変位測定器５１の測定プローブを被測定物の表面に接触させる。片持ち方式の移動機構は、ベース１１上に背面を除く方向からアクセス可能であるため、被測定物の配置や、測定プローブの接触位置の確認等が容易に行えるという利点がある。

【0008】

各レールにはそれぞれ２個の移動ユニットが配置されるので、Ｙ移動部３１、Ｘ移動部４０およびＺ移動部５０には４個の移動ユニットが取り付けられる。図２の構成では、平行に設けられる２本のレールは、同一部材の同一面上に近接して配置されるので、比較的容易に高い平行度で配置することが可能である。

【0009】

しかし、図２の片持ち方式の移動機構では、Ｙ移動部３１は、たとえ２本のレール２２Ａおよび２２Ｂと４個の移動ユニットで支持されているといっても、端に近い部分で支持されているため、撓みにより他方の端における変位が発生する。撓み量は、Ｘ移動部４０の移動に伴ってモーメントが変化する。言い換えれば、Ｙ移動部３１の剛性が不十分である。

【0010】

上記の片持ち方式の移動機構の撓み（剛性）の影響を低減するために、Ｙ移動部３１の両端を支持することが行われる。

【0011】

図３は、三次元座標測定機の移動機構の別の構成例を示す図であり、Ｙ移動部３１を移動させる構成のみを示し、他の軸の移動機構は図示を省略している。ここでは、図３の形式の移動機構を、Ｌ型と称する。
図３の三次元座標測定機のＬ型の移動機構は、Ｙ移動部３１の一方の端部を、Ｙコラム２１上に平行に設けられた２本のＹ軸レール２２Ａおよび２２Ｂで支持することは、図２の構成と同じであるが、Ｙ移動部３１の反対側の端部を支持する支持部材６０を設け、支持部材６０の下面を、ベース１１上に配置したサブガイド６１で支持することが、図２の構成と異なる。サブガイド６１は、例えばリニアガイドである。

【0012】

図３の構成では、サブガイド６１の真直度が非常に高い精度で維持されていることが要求される。サブガイド６１の真直度の誤差は、例えば、ベース１１の面の高さ変動として表すことができる。サブガイド６１におけるベース１１の面の高さがΔ１変化すると、Ｙ移動部３１の反対側の端部の高さも変化するが、Ｙ移動部３１の一端はＹコラム２１の２本のリニアガイドにより支持されており、固定されているのと同等である。そのため、Ｙ移動部３１が撓んで（反って）反対側の端部の高さがΔ２変化して均衡することになる。Ｙ移動部３１にこのような撓みが発生すると、Ｚ移動部５０が傾き、変位測定器５１の測定プローブの位置がΔ３変位することになり、座標測定誤差を発生する。

【0013】

Ｙ移動部３１の撓みは、Ｙ軸方向の移動に伴って変化し、温度等によっても変化する。Ｙ移動部３１の撓みによる測定プローブの接触位置の誤差は、基準物体の測定結果に基づいて算出した補正式などによりある程度補正可能であるが、撓み量の変化による影響まで正確に補正するのは難しいという問題がある。

【0014】

図４は、三次元座標測定機の移動機構の構成例を示す図である。この構成は、いわゆるブリッジ方式と呼ばれるものである。

【0015】

図４のブリッジ方式の三次元座標測定機は、ベース１１の対向する辺に２個のＹコラム２１Ａおよび２１Ｂを設け、Ｙコラム２１Ａ上に１本のＹ軸レール２２Ａを、Ｙコラム２１Ｂ上に１本のＹ軸レール２２Ｂを、それぞれ設ける。Ｙ移動部３１は、各レールに２個の移動ユニットが用いられる場合には、２本のレール２２Ａおよび２２Ｂを移動する４個の移動ユニットが取り付けられる。他の部分は、図２の場合と同様である。

【0016】

図４のブリッジ方式の三次元座標測定機は、１組のレールを取り付ける２個のＹコラム２１Ａおよび２１Ｂのレール取り付け面の平行度および真直度を、非常に高い精度で加工した上で、レールを実装する必要があり、製造コストが非常に高くなるという問題がある。また、図４のブリッジ方式の三次元座標測定機は、ベース１１上へのアクセスが制限されるため、被測定物の配置や、測定プローブの接触位置の確認等が難しくなるという問題がある。

【0017】

なお、Ｙ移動部３１を門のような形状とし、ベース上にＹ軸レール２２Ａと２２Ｂを設けるいわゆる門型方式の三次元座標測定機も知られているが、門型のＹ移動部３１の底面の平行度および真直度を、非常に高い精度で加工する必要があり、上記と同様の問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【特許文献1】特開２０１２−００２７１５号公報

【特許文献2】特開２０１２−０４２２６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

以上説明したように、片持ち方式の移動機構は剛性が不十分であり、ブリッジ方式およびそれに類似したＬ型の移動機構は、非常に高い加工精度が要求されるため、製造コストが増加するという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0020】

上記課題を解決するため、本発明の三次元座標測定機は、Ｙ移動部に対応する第１移動部の一方の端部を１本のリニアガイドで支持し、他方の端部をこの１本のリニアガイドと平行に設けられたエアーベアリング摺動案内部に沿って移動するエアー移動部で支持することを特徴とする。

【0021】

すなわち、本発明の三次元座標測定機は、ベースと、前記ベースに設けられた第１の軸移動機構と、前記第１の軸移動機構により移動する第１移動部に設けられた第２の軸移動機構と、前記第２の軸移動機構により移動する第２移動部に設けられた第３の軸移動機構と、を備え、前記第１の軸移動機構は、機械的なベアリングを用いた１本のリニアガイドと、前記リニアガイドと平行に設けられたエアーベアリング摺動案内部と、前記エアーベアリング摺動案内部に沿って移動するエアー移動部と、を備え、前記第１移動部は、一方が前記リニアガイドにより移動するリニア移動ユニットに取り付けられ、他方が前記エアー移動部に揺動可能に取り付けられることを特徴とする。

【0022】

本発明の三次元座標測定機では、１本のリニアガイドとエアーベアリング摺動案内部との平行度・真直度が不十分で、移動位置によりリニアガイドとエアーベアリング摺動案内部の相対的な高さが変化した場合、エアーベアリングによりある程度高さ変化の差を吸収することができる。第１移動部の他方の端部の高さが変化すると、第１移動部は傾きが変化する、言い換えればローリングするが、これは第１移動部を１本のリニアガイドで支持しているので、図１の（Ａ）に示したローリングＲにより、吸収することができる。これにより、第１移動部の傾き、すなわちローリングは変化するが、第１移動部に撓みを発生することはない。撓みが無ければ、誤差変化に再現性があり、現在の補正技術を適用すれば、高精度の補正が可能であり、移動位置を高精度に制御できる。言い換えれば、本発明は、これまでできるだけ微小に抑制しようとしてきたローリングＲを積極的に許容し、第１移動部の一方を１本のリニアガイドで支持し、他方をエアーベアリングにより支持し、第１移動部を支持する部分の相対的な高さ変化を、エアーベアリングにより吸収し、第１移動部の傾き変化を、１本のリニアガイドで許容されるローリングと揺動可能な連結部で吸収する。

【0023】

また、メカ（機械的）ベアリングであるリニアガイドとエアーベアリングの併用により、摩擦面をメカベアリング摺動面の１ラインのみにで、駆動点を摩擦面に設置することにより、往復のヒステリシスを低減できる。

【0024】

第１移動部は、図３に示した１個のコラムを有するＬ型の構成でも、図４に示した２個のコラムを有するブリッジ型の構成でも、コラムを設けない門型の構成でもよい。
１個のコラムを有するＬ型の構成では、ベースの一辺に設けられたベース面に平行な載置面を有するコラムを設け、第１の軸移動機構の１本のリニアガイドは、コラムの載置面に設けられ、第１移動部の他方の端部に設けた支持部材にエアー移動部を取り付け、ベースに設けたエアーベアリング摺動案内部で支持する。

【0025】

第１移動部は、エアー移動部に揺動可能に取り付けられる必要があり、この連結部は、例えば、球状の先端部と、少なくとも一部が円錐面である球状の先端部を受ける受け部と、を有するように構成される。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、高精度の三次元座標測定機を、簡単な構成で、低い製造コストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、リニアガイドを示す図である。

【図2】図２は、三次元座標測定機の片持ち方式の移動機構の構成例を示す図である。

【図3】図３は、三次元座標測定機のＬ型の移動機構の別の構成例を示す図である。

【図4】図４は、三次元座標測定機のブリッジ方式の移動機構の構成例を示す図である。

【図5】図５は、本発明の三次元座標測定機の基本構成を示す図であり、（Ａ）は１個のコラムを有するＬ型に適用した場合を、（Ｂ）は門型のものに適用した場合を示す。

【図6】図６は、本発明をＬ型に適用した実施形態の三次元座標測定機の構成を示す図であり、（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）が側面図である。

【図7】図７は、連結機構の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図５は、本発明の三次元座標測定機の基本構成を示す図であり、（Ａ）は１個のコラムを有するＬ型に適用した場合を、（Ｂ）は門型のものに適用した場合を示す。図５では、Ｙ移動部を移動させる構成のみを示し、他の軸の移動機構は図示を省略している。

【0029】

図５の（Ａ）に示すように、本発明を適用したＬ型の三次元座標測定機は、ベース１１と、Ｙコラム２１と、Ｙコラム２１の上面を移動するＹ（第１）移動部３１と、Ｙ移動部３１を支持する支持部材６０と、を有する。Ｙコラム２１は、ベース１１の一方の辺に沿って設けられ、Ｙコラム２１の上面は、ベース１１の面と平行である。Ｙ移動部３１は、Ｙコラム２１の上面に設けられた１本のリニアガイドのレールにリニア移動ユニットを介して接続され、リニアガイドにより移動する。図では、Ｙ移動部３１と１本のリニアガイドとの接続部を参照番号７０で示している。Ｙ移動部３１には、Ｘ軸移動機構およびＺ軸移動機構がさらに設けられ、Ｚ移動部５０に取り付けられた変位測定器５１のプローブの位置座標が、３軸方向に移動する。

【0030】

Ｙ移動部３１の他方の端部は、支持部材６０により支持される。支持部材６０の下部は、エアー移動部に揺動可能に支持される。エアー移動部と、ベース１１上にＹコラム２１の上面のリニアガイドと平行に設けられたエアーベアリング摺動案内部は、エアーベアリング機構８０を構成する。エアーベアリング機構８０により、リニアガイドとエアーベアリング摺動案内部の相対的な高さが変化した場合でも、エアーベアリング機構によりある程度高さ変化の差を吸収することができる。さらに、支持部材６０の下部は、エアー移動部に揺動可能に支持されると共に、Ｙ移動部３１の傾きが変化しても、リニアガイドは１本であり、ある程度のローリングであれば吸収することができる。これにより、Ｙ移動部３１がローリングしても、Ｙ移動部３１に撓みを発生することはなく、補正により移動位置を高精度に制御できる。また、メカ（機械的）ベアリングであるリニアガイドとエアーベアリングの併用により、摩擦面をメカベアリング摺動面の１ラインのみにでき、駆動点を摩擦面に設置することにより、往復のヒステリシスを低減できる。

【0031】

図５の（Ａ）に示したＬ型方式の移動機構は、リニアガイドをベース１１の面より上部に持ち上げており、次に説明する門型の移動機構に比べて、Ｙ移動部３１の重心位置と駆動点（リニアガイド）との距離を短くでき、さらにＹ移動部３１の重量を低減できる。これにより、加減速時のＹ移動部３１のピッチングを低減でき、移動応答性を改善もしくは同じ移動応答性を実現するのに必要な駆動力を低減できる。また、ベース１１上に背面を除く方向から容易にアクセス可能であるため、被測定物の配置や、測定プローブの接触位置の確認等が容易に行える。

【0032】

図５の（Ｂ）に示すように、本発明を適用した門型の三次元座標測定機は、Ｙコラム２１を設けずに、Ｙ移動部３１を、平行部分６１と、第１支持部材６２と、第２支持部材６３と、で構成した門型としたことが、図５の（Ａ）のＬ型の場合と異なる。

【0033】

第１支持部材６２の下部は、ベース１１の一方の辺に沿って設けられた１本のリニアガイドとの接続部７０により支持される。第２支持部材６３の下部は、図５の（Ａ）の支持部材６０と同様に、エアーベアリング機構８０により支持される。

【0034】

図５の（Ｂ）に示した門型の移動機構は、リニアガイド７０およびエアーベアリング機構８０のエアーベアリング摺動案内部の両方を、ベース１１の上面に設けるので、リニアガイド７０とエアーベアリング摺動案内部の平行度を高精度に維持するのが容易である。一方、門型のＹ移動部３１は、図５の（Ａ）に示したＬ型に比べて、大重量になり、ピッチ誤差の影響を受けやすいという問題がある。

【0035】

なお、図５では、Ｌ型と門型の例を説明したが、ブリッジ型等他の形式にも同様に適用可能である。

【0036】

図６は、本発明をＬ型に適用した実施形態の三次元座標測定機の構成を示す図であり、（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）が側面図である。なお、図６では、Ｙ移動部以外は従来例と同じであるので、Ｙ移動部を移動させる構成のみを示し、他の軸の移動機構は図示を省略している。

【0037】

実施形態の三次元座標測定機は、合成大理石等の石定盤で作られたベース１１と、ベース１１の一方の辺に設けられた中空のＹコラム２１と、Ｙコラム２１上に平行に設けられた１本のＹ軸レール２２と、Ｙ軸レール２２上を移動する２個のＹ移動ユニット２３Ａおよび２３Ｂと、Ｙ移動ユニット２３Ａおよび２３Ｂに取り付けられたＹ移動部３１と、Ｙ移動部３１上に平行に設けられた２本のＸ軸レールと、２本のＸ軸レール上を移動する合計４個のＸ移動ユニット３３ＡＡ、３３ＡＢ、３３ＢＡおよび３３ＢＢと、を有する。この上にＸ移動部等が構成されるが、図示および説明は省略する。

【0038】

Ｙ移動部３１のＹコラム２１により支持される側を反対側の端部には、円柱状の支持部材６０が取り付けられる。支持部材６０の下部は、連結機構８１によりエアー移動部８２に揺動可能に支持される。ベース１１上のエアー移動部８２と対向する辺に沿って、エアーベアリング摺動案内部８３が設けられる。エアーベアリング摺動案内部８３は、例えば、Ｙ軸方向に伸びるエアー移動部８２の幅を有する溝である。エアー移動部８２は、外部から供給されるエアーをエアーベアリング摺動案内部８３の表面に噴出し、一定間隔で浮上した状態でＹ軸方向に移動可能である。言い換えれば、エアー移動部８２は、Ｙ軸方向に移動可能であるが、Ｘ軸方向には変位せず、Ｚ軸方向は微小量変位可能である。ここでは、エアー移動部８２とエアーベアリング摺動案内部８３により構成される部分をエアーベアリング機構８０と称する。

【0039】

図７は、連結機構８１の構成例を示す図である。図７に示すように、ベース１１の上面のエアーベアリング摺動案内部８３の表面に対向してエアー移動部８２が配置される。エアー移動部８２は、少なくとも一部が円錐状の穴を有する受け部９２を有する。支持部材６０の先端には半球状の先端部９１が設けられており、受け部９２の円錐状の穴に接触する。ここでは、先端部９１は、第１移動部３１およびその上に構成されるＸおよびＺ軸機構および支持部材６０等の重量により受け部９２の円錐状の穴に押し付けられる。これにより、支持部材６０（Ｙ移動部３１）は、エアー移動部８２に揺動可能に支持される。

【0040】

Ｙコラム２１の上面、すなわち１本のリニアガイドのレール２２と、エアーベアリング摺動案内部８３の表面の相対的な高さは一定であることが望ましいが、製造上若干の誤差が避けられない。実施形態では、エアーベアリング機構８０により、リニアガイドのレール２２とエアーベアリング摺動案内部８３の相対的な高さが変化した場合でも、エアーベアリング機構８０によりある程度高さ変化の差を吸収することができる。さらに、支持部材６０の下部は、エアー移動部に揺動可能に支持され、Ｙ移動部３１の傾きが変化しても、リニアガイドは１本であり、ある程度のローリングであれば吸収することができる。これにより、Ｙ移動部３１がローリングしても、Ｙ移動部３１に撓みを発生することはなく、Ｙ移動部３１が傾くだけであり、その傾き量は再現性があるので補正により移動位置を高精度に制御できる。

【0041】

以上、本発明の実施形態を説明したが、各所の変形例が可能であるのはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明は、三次元座標測定機に適用可能である。

【符号の説明】

【0043】

１１ ベース
２１ Ｙコラム
３１ Ｙ移動部
６０ 支持部材
７０ １本のリニアガイド
８０ エアーベアリング機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】