JPH04348201A - スピンドルを有するリニア測定器および測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スピンドルを有するリ
ニア測定器および測定方法に関するものである。さらに
詳しくいえば、装置がスピンドルのピボットした動きに
反応を示さないようにするため、滑動自在に取り付けら
れたスピンドルに関する改良された連結システムに関す
るものである。

【０００２】

【背景技術】正確なリニア測定ができるようになってい
る多くの装置が先行技術において利用することができる
。高さのゲージは、被測定物の高さを定めるために利用
される。ダイヤル・ゲージ、ディグマティック・インデ
ィケータおよびリニア・ゲージ・システムは、被測定物
の厚さまたは高さを正確に測定するために使用される。

【０００３】リニアおよびＸ・Ｙ軸座標の位置・変位測
定システムは、特定の座標からのリニア変位および対象
物の正確な位置または対象物に関する独自の特性を正確
に測定するために利用することができる。リニア測定を
可能とするため今日使用されているシステムの多くは、
測定部材を有するハウジングとハウジングの上にスライ
ド自在に取り付けられたスピンドルを備えている。スピ
ンドルは、測定部材と測定される物品の間に連結されて
いる。ハウジングに装着され、スピンドルを取り囲むブ
ッシュは、通常スピンドルがハウジング内で円滑に回転
できるようにして使用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先行技術において知ら
れている従来のブッシュとスピンドルの取り付けは、ミ
リメートルの範囲で適確な測定をすることに適している
。しかし、ブッシュを装着したスピンドルを使用して行
われる測定の精度は、ブッシュがスピンドルを単一のリ
ニア軸に沿った動きに適切に制限しない場合、悪影響を
受けることがあり得る。

【０００５】つまり、スピンドルがハウジング内で回転
するときそれがピボット（旋回心軸で回転）すると、測
定される対象物に接触するスピンドルの端部の動きが測
定部材に正確に伝送されない。その結果、従来のブッシ
ュとスピンドルの組合せでは、ミクロンまたはサブミク
ロンの範囲においてリニア・ゲージを使用しても十分の
精度が得られない。

【０００６】特に、ミクロンまたはサブミクロンの範囲
における測定が望まれる場合、先行技術で利用できるブ
ッシュとスピンドルを有するリニア・ゲージの代りに、
一層高価で複雑なシステムを使用しなければならない。 本発明の目的は、簡単な構造で高精度が得られるスピン
ドルを有するリニア測定器および測定方法を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の原理
により、リニア測定器は中空のスピンドルを備えている
。スピンドルは、ブッシュ部材に囲まれ、滑動自在でハ
ウジングに連結している。スピンドルの中空領域内に位
置するロッドは、測定される表面に接触するスピンドル
の外端に接続する。ロッドの他の端部は、ハウジング内
の測定部材に連結している。

【０００８】かくして、スピンドルの外端の軸方向の動
きは、スピンドルがハウジング内で滑動するときスピン
ドルがピボットしても、ロッドを介して測定部材に正確
に転送される。それに固定して連結されたロッドを有す
る中空スピンドルを使用すると、測定部材の軸方向の動
きから生ずるスピンドルの非軸方向の動きを効果的に吸
収する。ロッドは幾らかフレキシブルにその長い軸に垂
直であるようにするのが望ましい。スピンドルの中空シ
ャフトは、機械強度を与え、ロッドの運動を案内するが
、測定機能に直接寄与しない。中空スピンドルの内部に
あるロッドは、スピンドル・チップの軸方向の変位をハ
ウジング内の測定部材に直接伝える。スピンドルが横向
き、すなわち非軸方向にピボットまたは移動する場合、
ロッドが曲がって、それが測定部材の軸方向の動きに変
換されないようにこの動きを吸収する。

【０００９】かくして、測定部材の軸方向の運動は、測
定される対象物のリニア位置を一層正確に表す。ロッド
は、各端部に隣接するくびれた部分を択一的に備えて、
その弾性を高めた上、引き続きほぼ同じ非圧縮性の特徴
を維持することができる。別の実施態様においては、ス
ピンドルは一体部材であり、測定部材に隣接する球面と
測定される部分に隣接する他の球面を有している。でき
れば、測定される部分に接する球面の湾曲度は、スピン
ドルの長さに等しい有効径を有するように選定されるの
が望ましい。

【００１０】測定部材は、スピンドルの球面に接すると
ころに球状または平らな表面を備える。スプリング部材
は、測定部材に連結し、測定部材をスピンドルの方に片
寄らせてスピンドルと固定して接触した状態で測定部材
を維持する。スピンドルが非軸方向の動きを受けるとき
、スピンドルの端部にある球状の表面は、スピンドルの
非軸方向の動きの限界値を問わず、スピンドルの有効長
さを維持することによって、非軸方向の運動を効果的に
吸収するように回転する。

【００１１】このアプローチは、中空スピンドル内で固
定して接続するロッドによって行われるもので、測定部
材からの横方向の力を吸収するのではない。しかし、そ
れは先行技術より改善されており、ある環境においては
優先して採用されることができる。

【００１２】

【実施例】図１は、先行技術のリニア・ゲージ５０を示
す。リニア・ゲージ５０は、ディスプレイ５６を有する
ハウジング５４を備えている。測定部材（この図には示
されていない）は、ハウジング５４の中にある。チップ
１８を有するスピンドル１４は、ブッシュ１２を通じて
ハウジング５４から伸びている。チップ１８は、その厚
さが測定対象となる被測定物５２に接触している。スピ
ンドル１４の他端は、ハウジング５４内で測定部材１０
に接している。

【００１３】被測定物５２の厚さは、チップ１８が被測
定物５２の上面に接触するまでスピンドル１４を下方に
動かすことによって測定される。ハウジング５４の内部
にある測定部材は、スピンドル１４の動きと一致する数
値だけ動く。 測定部材の動きまたは位置は、ハウジング５４内の適当
な手段により適確に感知される。被測定物の正確な厚さ
は、特殊なリニア・ゲージの誤差可能性の範囲内で、表
示装置５６に出力として提示される。

【００１４】リニア・ゲージ５０　　が位置または変位
をどのように測定するかについての簡単な要約を示す（
図２参照）。測定部材１０は、矢印１３によって示され
る方向で測定部材１０に沿って、軸方向に伸びる測定グ
レーティング（図示されていない）を備える。移動セン
サ１１は、測定部材１０の軸方向の動きに関連して、ハ
ウジング５４内に静置して保持されている。

【００１５】センサ１１は、測定部材１０上のグレーテ
ィングの動きに基づいて測定部材１０の軸方向の変位を
感知する。グレーティングは、軸方向に伸びるので、軸
方向の動きのみを正確に感知することができる。測定部
材１０の非軸方向の動きは一切感知されない。測定部材
１０は、ハウジング５４内に封じ込まれて、一般的に矢
印１３によって示されるセンサ１１に関連した軸方向の
動きのみを受ける。

【００１６】センサ１１は、その上のグレーティングの
タイプに依存して、測定部材１０の動きまたは位置を適
確に探知するセンサ１１となり得る。ここに言及するこ
とにより本出願に組み入れられる米国特許第　４，６０
３，４８０号は、それぞれ測定部材１０およびセンサ１
１として本発明で使用するのに適した光学スケールと光
学センサを図示している。

【００１７】測定部材１０は、回析格子、その上にグレ
ーティングもしくは光回析図形を有する反射部材、その
上に光学図形フォームを有する光伝送部材、その磁界の
反転を探知できる磁気コード化部材、帰納的に連結され
たリニア・トランスフォーマ、またはその上で形成され
た可変容量性グレーティングを有する容量性部材を備え
ることができる。測定部材の変位を測定することにより
リニア・ゲージ内で作動する技術的に知られている多く
の各種タイプの測定機構やセンサが本発明と結び付けて
使用するのに適している。

【００１８】図２および図３は、図１の先行技術による
リニア・ゲージ５０内にあるスピンドル１４、ブッシュ
１２および測定部材１０の間の関係を詳細に示している
。スピンドル１４は、中空でない部材で、一般にそこに
ねじ込まれたチップ１８を有している。スピンドル１４
は、ハウジング５４のブッシュ１２を通って伸び、測定
部材１０の球面２２に接触している。測定部材１０は、
ハウジング５４内にあるスプリング部材（図示されてい
ない）によって、スピンドル１４の端面１６と接触する
ように押しつけられている。

【００１９】測定部材１０の軸方向の動きは、センサ１
１により適確に感知され、前述した通り被測定物５２の
リニア・ポジションまたは動きを提示する。測定部材１
０は、その軸に平行した方向１３、すなわち軸方向にス
ピンドル１４が動いた数値に一致した数値だけ動く。ス
ピンドル１４の軸方向の位置は、測定部材１０の軸方向
の位置に一致する。

【００２０】すなわち、スピンドル１４が動くとき、測
定部材１０は、端面１６と引続き接触した状態を維持し
、スピンドル１４の動きに追随する。理想的な状態では
、測定部材１０の軸方向の動きは、チップ１８の軸方向
の動きと正確に一致し、チップ１８と測定部材１０　　
の距離は一定である。ところが遺憾なことに、チップ１
８　　は、横方向すなわち非軸方向に動き、スピンドル
１４の軸方向の動きに一致しない軸方向の動きが測定部
材１０に引き起こされることがある。

【００２１】図３は、測定部材１０の軸方向の動きがス
ピンドル１４の軸方向の動きに一致しなくなる誤りがど
のようにして生ずるかを図示している。ブッシュ１２と
スピンドル１４の間の間隙２０は、スピンドル１４　　
の軸方向の動きを可能とするために必要である。許容誤
差を厳しくして、必要な間隙２０を最小限にすることが
できるが、通常の損耗により、間隙２０は増大していく
。現実的には、半径方向間隙２０は全体で約２５ミクロ
ンというのが高品質機器の平均である。安い装置では７
５ミクロンもの間隙が見られることがある。

【００２２】精度を一層高くする解決法として、ボール
ベアリング・ブッシュ１２の使用があげられる。これら
は小さく、精密で比較的高価なリニア・ベアリングであ
り、事前に装着された内部転動体によってゼロに近い間
隙にセットすることができる。ボールベアリング・ブッ
シュ１２は、軸方向に低摩擦で動かすことができ、通常
の摩耗で質を大幅に低下させることはない。

【００２３】しかし、単純なブッシュより容量がかさば
り、半径方向の強い力に耐えることができない。通常よ
り大きなスピンドル径を必要とする場合は、ボールベア
リング・ブッシュであると更に大きな領域を占め、それ
だけであまりに大きすぎるステムを必要とする結果にな
り得る。更に、ボールベアリング・ブッシュは、きわめ
て複雑で高価なため、今日活用されている多くのリニア
・ゲージでは使用されていない。

【００２４】ブッシュ間隙２０によって引き起こされる
誤差を、図３においてこれより簡潔に説明する。前述し
たように、スピンドル１４は、平らな面１６を含んでい
る。測定部材１０は、平面１６に接する球状の要素２２
　　を含んでいる。測定部材１０は、スピンドル１４の
平らな端部１６にスプリングで押しつけられている。端
部１６は、球状の要素２２に固定して接続しているので
なく、むしろ互いに滑動することができるので、測定部
材１０とセンサ１１の強い非軸方向の動きがスピンドル
１４　　の非軸方向の動きとなるのを防いでいる。

【００２５】図３に示す通り、スピンドル１４がピボッ
トし、すなわち間隙２０のためにブッシュ１２の内部で
非軸方向の動きを受けることがある。非軸方向の動きは
、測定中如何なる位置にあっても、スピンドル１４が傾
き、ピボットし、または横向きに運動することから生ず
る。図３における図面上、回転の中心をブッシュ長さの
中間地点として選定しているが、スピンドル１４は、よ
り低い程度ではあるが、ブッシュ１２内の他の地点を中
心に回転することもあり得よう。

【００２６】スピンドル１４が傾くと、チップ１８と平
らな端部１６との間の軸１７に沿った距離が変化する。 距離の変化は、傾斜角θの大きさと回転の中心部から端
部１６までのスピンドル１４の長さに基づく。角度θは
、間隙２０の数値に基づいた範囲で変化する。スピンド
ル１４　が傾くとき、スピンドル１４　　が軸方向に動
かなくても、測定部材１０　　は軸方向の動きを受けて
、誤差をもたらす。

【００２７】誤差の数値および誤差の発生回数は、測定
を何度行っても予測することはできない。スピンドル１
４　が下方に動かされる時、それは一般的にまっすぐの
位置で始まるであろう。スピンドル１４　　は、被測定
物５２の上面に接触した時、あちこちの側に傾く可能性
があり、かくして測定誤差を生ずることとなる。有限間
隙を有する先行技術によるリジットな（剛直な中空でな
い）スピンドルに作用する平衡力は、測定対象の可動部
材５２の摩擦差または横向きの動きにより、一方向で図
３に示されたタイプの傾き（他の方向には傾かない）を
引き起こすことが有り得よう。かかるチップの配置の移
行が、いま述べた誤差に起因し、その一部またはすべて
は幾何学的誤差におけるヒステリシス差としても現れる
ことがあることは明かである。

【００２８】ブッシュ間隙２０　　が与えられたとする
と、測定部材１０の軸方向の動きと位置がスピンドル１
４　　の動きと位置に一致すると予期することはできず
、結果的に誤差となる。それどころか、スピンドル１４
　は、毎回異なった軸を中心に回転し、誤差の大きさが
変化することがある。また、スピンドル１４　　がまっ
たく傾かない場合もある。スピンドル１４の傾斜は、こ
のようにユーザーがコントロールできないものである。

【００２９】類似のスピンドル１４　　および測定部材
の取付が、スピンドルを押すかまたは引く移動センサの
位置において使用されることがある（図７の可動部材５
３　　参照）。スピンドル１４　　は、測定部材１０　
　を動かさないで、適当な軸方向の距離を（部材５３　
　の動きを示す矢印５７参照）各動きの始めにまっすぐ
引き出されるかもしれない。同様に、スピンドルを押す
場合、動きの一部が測定部材１０　　の一致する動きを
引き起こすよりむしろ、スピンドルの傾きに吸収される
こともある。先行技術によるスピンドルにおいては、可
動部材５３　　の動きがかくして測定部材１０の正確な
一致する動きを引き起こさず誤差の原因となる。

【００３０】図１０の線Ａは、全体のブッシュ間隙に基
づく測定部材１０　　の変位に関し先行技術により引き
起こされる幾何学的誤差を示すグラフであり、いずれも
単位はミクロンである。約４０ミクロンのブッシュ間隙
では、幾何学的誤差は約０．　２ミクロンとなっている
。ミリメートルの範囲で測定する先行技術によるリニア
・ゲージの場合は、０．２ミクロン程度の誤差は重要で
はないかもしれない。しかし、リニア・ゲージがミクロ
ンやサブミクロンの範囲内で正確を要する場合は、０．
　２ミクロンの誤差は大きくて容認されない。かくして
、先行技術によるリニア・ゲージをミクロン範囲で使用
することは認められない。

【００３１】図４および図５は、非軸方向のスピンドル
の動きを測定部材１０の軸方向の動きから吸収するため
に、本発明の原理によって作られたスピンドルを図示し
ている。スピンドル３０　　は、ロッド３２　　が配置
される中空領域３５　　を有する中空シャフト３６　　
を備えている。ロッド３２　　は端部３７　　でスピン
ドル３０　　に、端部３９　で測定部材１０　　に固定
して連結されている。測定部材１０　　は、端部３９　
　でしっかり固定され、単純な片持ちばりのアンカ・ポ
イントを効果的に形成し、ロッド３２が片持ちビームと
なっている。チップ１８がブッシュ間隙により誤って取
り付けられたためスピンドル３０　　が非軸方向の運動
を受けると、ロッドは複雑に曲げられる。

【００３２】図５に示す通り、スピンドル３０　　が非
軸方向の動きを受けるとき、ロッド３２は、スピンドル
３０　　の横方向の変位を調整するためスピンドル３０
　　内で曲がって、測定部材１０　　の軸方向の動きを
防止する。ロッド３２　　の屈曲の形は定半径曲線に近
似しているが、係留ロッドの端部３７　　は形成される
曲線に必ずしも接線で位置合わせされないので、実際の
形は幾らか異なることもある。

【００３３】シャフト３６　　の端部４１　　は、測定
部材１０　　に対して横向きまたは非軸方向に動くこと
がある。すなわちスピンドル端部４１　　は、測定部材
１０　　の端部４４　　から隔置され、それに連結され
ていないので、スピンドル端部４１　　が測定部材１０
　　の動きを引き起こすことなく前後に動くことができ
るようになっている。ロッド３２は、かくしてスピンド
ル３０　　内で効果的に浮いており、スピンドルの軸方
向の動きと正確に一致して軸方向に動くが、スピンドル
３０　　が横向きまたは非軸方向に動くときには軸方向
に動かない。非軸方向の動きを効果的に吸収しながら、
軸方向の動きを正確に伝達するのである。　　ロッド３
２　は、スピンドル３０　　の非軸方向の動きによって
引き起こされる測定部材１０　　の軸方向の動きを減少
するように働く。

【００３４】ロッド３２　　は、測定部材１０　　の軸
方向の運動に対してスピンドルの非軸方向の運動を効果
的に吸収する。すなわちスピンドル３０　　は、測定部
材１０　　の軸方向において重要な動きを引き起こさな
い程度に非軸方向で運動できるいくらかの範囲を認めら
れる。示された実施態様では、動きの吸収は完全ではな
く、非軸方向の動きが十分大きい場合は、その一部は軸
方向の運動に変換されるかもしれない。しかし、スピン
ドル３０　　の非軸方向の動きの効果は、中空でないス
ピンドル１４よりはるかに小さい。スピンドル３０　　
の非軸方向の動きが大きくなってロッド３２がシャフト
３６　　の内部管壁に接触すると、その後に生じる非軸
方向の動きの吸収効果は大幅に削減される。望ましくは
、スピンドルの内径とロッド３２　の直径をブッシュ間
隙２０に基づいて選定し、スピンドル３０　　の非軸方
向の動きによりロッド３２　　がシャフト３６の内壁３
１　に接触するほど大きくならないようにすべきである
。

【００３５】ロッド３２　　は、接着、ねじ込みなどの
適当な方法で端部３７　　と端部３９　　にしっかりと
接続されている。１つの適当な技術は、図４から図７に
示されているが、そこにおいてスピンドル３０　　は、
ロッドの端部３７　　とほぼ同じ直径の埋め込み領域を
備えている。端部３７　　は、摩擦はめ合いでスピンド
ル３０　　の埋め込み領域に押し込められ、所定の位置
にしっかりと保持されている。 望まれる場合は、接着部材または止めねじがスピンドル
３０　　の内部で端部３７　　をしっかり保持するため
に使われることもある。同様に、測定部材１０　　も埋
め込み領域４６　　を備え、そこに端部３９　　がしっ
かりと接続される。

【００３６】端部３９　　は、図６と図７に示す通り、
ねじ込み式止めねじ３８　　で締めることによって埋め
込み領域４６　　の内部でしっかりと保持され、その結
果測定部材１０　　からスピンドルを取り外すことがで
きるようになっている。別の方法として、図４と図５に
示す通り、端部３９　を所定の位置に接着し、ロッド３
２　　の外部円筒面を測定部材１０　の埋め込み領域４
６　の内部円筒面にいっかりと接続することもできる。

【００３７】図９は、図４と図５のロッド３２　　に関
する単純な屈曲モデルを示す拡大略図である。ブッシュ
間隙による最大可能誤差は、軸方向の動きの方向１３　
　に平行する方向に沿った地点ＴとＱおよび地点ＴとＲ
の間の長さの差である。ＴからＲへのアークがＴＱの巻
き長さであるとき、注意すべきパラメーターは、長さＬ
と直線ＴＱの差である。ロッド取り付けの地点３７　　
における寸法Ｎは、非軸方向の動きを示し、次式によっ
て与えられる：

【００３８】

【数１】 　　　　　　　　　　Ｎ　＝　Ｓｉｎ　θ×（Ｌ−Ａ　
）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（１）　角度θは、スピンドル３０　　の
回転角度であり、最大可能角度θは、ブッシュ間隙２０
の関数としての従来の手法により得られる。Ｌは、ロッ
ド３２　　のフレキシブルな部分の長さで、Ａは、回転
の中心からブッシュ端部までの距離である（図３参照）
。Ｌがアークの半弦であると仮定すれば、ｒを次の通り
等式（２）　により算出できる：

【００３９】

【数２】 　　　　　　　　　　ｒ　＝　（Ｌ２　＋　Ｎ２）／２
Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（２）　中央の角度β（単位：ラジアン）は、
次式により与えられる：

【００４０】

【数３】β　＝　Ｓｉｎ−１（Ｌ　／ｒ）アーク長さＴ
Ｒは次式により解く：

【００４１】

【数４】 　　　　　　　　　　　　ＴＲ　＝　　ｒ×β　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（３）　アーク長さＴＲは、曲がりロッ
ドの伸ばされた長さＴＱであり、ＴＲを静止の長さに比
較すると、曲がりロッド３２　　に関する可能な最大限
の幾何学的誤差が出てくる。

【００４２】基本的には、アーク長さＴＲは、常に端部
の地点に接続する直線より長くなるが、この不利な点は
、横向きに変位されなければならないリジッドな（剛直
な中空でない）スピンドル１４　　の上端部１６　　と
は対照的に、固定端部３９　　が横方向に変位されるこ
とができない事実で埋め合わされる。従って、有効角は
リジットなスピンドルの場合想定されるものの何分の１
かになる。 図９の曲率と半径は測定したものでなく、誇大に図示さ
れている。

【００４３】実際には、Ｎは２５〜５０ミクロンの範囲
にあり、ｒは５０〜１００メートルの範囲にあるであろ
う。実際の幾何学的誤差は、このようにきわめて小さい
。簡略化のため、スピンドルチップ１８　　の内側に固
定して取り付けられたロッド３２の短い取り付け地点３
７　　により作り出される一瞬の曲がりの重要性は無視
されるが、この分析上決して小さな事項ではない。

【００４４】図１０の線Ｂは、図４と図５に示す通り、
そこにロッド３２　　を有する中空スピンドルのブッシ
ュ間隙に基づいた測定部材１０　　の軸方向の変位にお
ける幾何学的誤差を図示している。見て分かる通り、本
発明によるスピンドルの幾何学的誤差は、同じブッシュ
間隙の先行技術による中空でないスピンドルの幾何学的
誤差より、所与のブッシュ間隙２０　　の方がはるかに
小さい。

【００４５】中空スピンドル内でフレシキブル・ロッド
を使うことにより、先行技術による中空でないスピンド
ルと対照的に、スピンドル３０　　が長くなるほど誤差
の数値が減少する。すなわち、中空スピンドルに関して
は、所与のブッシュ間隙に関する誤差は、ロッド３２を
有する中空スピンドルが長いほど減少する。それは、ロ
ッド３２　　の曲率は、長いほど直線に近くなり、スピ
ンドル３０　　の非軸方向の動きと測定部材１０　　の
非軸方向の動きの間の衝撃をより大きく緩和する効果を
有するからである。

【００４６】図６は、スピンドル３０　　の非軸方向の
動きと測定部材１０　　の軸方向の動きの間の衝撃をは
るかに大きく緩和するための別の実施態様を図示してい
る。ロッド３２は、端部３７　　のすぐ前でくびれた部
分４０　　と、端部３９　　のすぐ前でくびれた部分４
２　　を含んでいる。くびれた部分４０　　と４２　　
は、ロッド３２　　の大きな直径部分よりもはるかにフ
レシキブルである。スピンドル３０　　が、非軸方向の
運動を受ける時、ロッド３２　　はくびれた部分４０　
　と４２　　で曲がり、チップ１８　　の非軸方向の変
位の変化を調整する。くびれた部分４０　　と４２　　
は、自動車のドライブ・ライン（動力伝達系統）に見ら
れるものに類似したユニバーサル・ジョイントまたはち
ょうつがいとして効果的に作用し、スピンドル３０　の
横向きで非軸方向の運動のすべてまたはほとんどを測定
部材１０　から吸収する。

【００４７】２つの領域４０　　と４２　　の間のロッ
ド部分は、アークの長さでなくむしろ実質的に直線のま
までとどまる。くびれた領域４０　　と４２　　を有す
るロッド３２　　の緩和効果の厳密な数理解析は、特に
必要ではないであろう。図４から図５および図１０の線
Ｂの実施態様よりはるかに多くの緩和がなされ、幾何学
的誤差をほとんどもしくはまったく生じないと述べるだ
けで十分と思う。

【００４８】部分４０　　と４２　　の直径は、十分な
弾力性をもちながら、ロッド３２　　に関して選定され
た材料の種類に基づいて、スピンドル３０　　の軸方向
の動きが測定部材１０の軸方向の動きに正確に移転され
るように選定される。注意すべきことは、ロッド３２　
　が軸方向にいくらか圧縮される場合がり、そのためス
ピンドル３０　　のチップ１８　　が軸方向に動かされ
るとき、その動きが測定部材１０　　の動きに移転され
ずにむしろロッド３２　　を圧縮したりまたは引き伸ば
したりする作用をすることである。

【００４９】くびれた部分４０　　と４２　　は、直径
が狭いため、いくらか圧縮を受けやすい場合がある。し
たがって、４０　と４２　は、これらの領域において過
剰の圧縮または引き伸ばしが生じない程度に短く、かつ
ロッド３２　　の弾力性がこれら２つの地点でいくらか
増加する程度に長く選定される。好適な実施態様におい
ては、ロッド３２は、比較的軸方向の圧縮性をもつスチ
ール合金を含み、くびれた部分４０　　と４２は、スチ
ールがいくらかフレシキブルになるような大きさとなっ
ているがなお、その軸に沿って効果的に非圧縮性を帯び
た状態となっている。

【００５０】ロッド３２　　の適当な寸法は、直径２〜
３ミリで長さ５０ミリであるが、くびれた部分４０　　
と４２　　を有するロッド３２　に関してくびれた部分
の適当な寸法は、直径１ミリ、長さ１．　５ミリである
。これらの寸法は、所与のスチール合金に適しているこ
とが分かっており、例として示されるが、材料が違う場
合にはこの数値がかなり異なってくるであろう。所与の
スピンドル長さＬ、ブッシュ間隙２０　　および材料の
種類に関して、ロッド３２　　およびくびれた部分４０
　　と４２　　の寸法は、この出願の教示に基づいて、
技術上の必要に応じて選定してかまわない。

【００５１】図７は、ロッド３２　　が、全長にわたり
極端に細い直径を有するもう１つの実施態様を図示して
いる。引いたり、押したりするためにスピンドル３０　
　に連結された可動部材５３　　も図示されている。可
動部材５３　　の位置または動きは、感知されて測定部
材１０に正確に伝達されなければならない。この実施態
様においては、ロッド３２　　は全長にわたり一定の直
径を有しているが、ロッド３２　　が非軸方向に極めて
フレシキブルとなるほど直径が小さいので、スピンドル
３０　　の非軸方向の動きに応じて曲がるとき、曲線の
アークが一層正確につり合う。 極端に小さい直径のロッド３２　　が、場合によっては
より好適となることもある。直径の小さいロッドの不利
な点は、より大きな直径のロッドより軸方向にいくらか
圧縮性を有することで、アークの一部となるので、そっ
た時に、くびれたロッドよりも長さを大きく失うことで
ある。前述したように、ロッドの圧縮性があまり高すぎ
ると、スピンドル３０　　の軸方向の動きの一部が測定
部材１０の動きよりもむしろロッド３２　の圧縮に移転
される。ロッド３２　に使用される材料の種類および環
境に依存して、直径は望ましい正確性を維持しながら、
十分な弾力性を提供する数値を選定することが望ましい
。もちろん直径は、材料の種類の相違、ロッド３２　　
の長さの相違または通常の技術面から明白な他の要因に
よって変化する。　　１つの実施態様においては、ロッ
ド３２　　は、磁気を帯び、測定部材として機能する。 磁気部材の動きを測定して変位を確定することは技術上
一般に知られている。例えば、ソニーによって販売され
る測定ゲージは、マグネスケール・タイプのゲージとし
て業界で知られている。ロッド３２　　は、それを磁化
し、その軸方向の動きを直接測定することによって、そ
れ自体が測定部材となることもある。

【００５２】もう１つの実施態様において、スピンドル
１４　　は、中空でない部材であるが、図８に示すよう
に、部品５２　　および測定部材１０の平らな面または
球状の面と接するように両端部に球面２３　　と２４を
有している。スピンドルが傾くと、両端部２３　　と２
４　　の半径が両端の間の長さの１／２に等しい限り、
それらは事実、点線で部分的に示された大きな球の表面
にある領域となる。球の回転は、測定部材１０の軸方向
の位置に何らの影響を及ぼさず、かくして幾何学的誤差
を生み出さなくする。別の利点は、図３に示した通り、
もはや心振れして動く傾いた平面はないという事実から
生まれる。

【００５３】この実施態様においては、スピンドル１４
　　の長さに基づいて端部２３　　と２４　　の半径を
選定することが望ましい。球面２３　　と２４　　の半
径は、互いに等しく、それらの直径が見掛球形のスピン
ドル１４　　に近似しているか、またはほぼ等しいよう
に選定される。端部２３　　と２４　　は、実質的に球
の２つの部分である。ブッシュ間隙によりロッド１４　
　は、ある限られた距離を回転することができる。端部
２３　　と２４　　の幅Ｗは、所与のブッシュ間隙に関
して端部の湾曲部分が常にそれぞれの部品５２　　およ
び測定部材１０　　と常に接触するだけの広さがあるよ
うに選定される。従って、各端部から見ると、ロッド１
４　　は直径Ｄの完全な球として作用していることにな
る。その傾きを与える動きまたは非軸方向の動きがブッ
シュにより制限されるため、球のほんの小さな部分のみ
が部品５２　および測定部材１０　に接触できることに
なる。２つの正反対に位置する部位２３　　と２４　　
は、かくしてまっすぐのロッド１４　　により結合され
、球形スピンドルとして引続き効果的に作用することが
できる。

【００５４】かかる実施態様においては、ブッシュ間隙
の有害効果は、スピンドルの回転の中心がその中間点に
おいて発生する場合には排除され、その他の場合には減
少される。球面２４　　と２２　　は互いに接している
が、固定して結合されてはいない。測定部材１０に連結
されたスプリング部材が測定部材をスピンドルの方に片
寄らせ、通常の技術を有する者に知られている先行技術
において使用されている技術の中から適当な技術を使用
して互いに固定的に接触した状態でそれらを保持してい
る。

【００５５】この発明の原理によって作られたスピンド
ルは、図１の先行技術による装置のスピンドル１４　　
に代えて使用し、同じブッシュ間隙を有する装置の正確
を一歩向上させることができる。同様にリニア・ゲージ
またはＸ・Ｙ軸座標測定システムも、本発明の概念を利
用してその正確性を高めることができる。本発明におい
て使用する技術は、ここに言及することにより組み込ま
れた特許をはじめ先行技術で活用できるその他の多くの
リニア・ゲージ、例えば高さのゲージ、ディジマティッ
ク・インディケータ、ダイヤル・ゲージ、厚さのゲージ
、リニア変位測定部材などにおいて示される技術を含む
。Ｘ・Ｙ軸座標測定システムも本発明の使用から利益を
得ることができる。これらの先行技術による装置の多く
が類似タイプのスピンドルを使用していないのは、先行
技術によるスピンドルがそのシステムで使用できるほど
正確でなかったためである。

【００５６】本発明の原理によって作られたスピンドル
の正確さを利用すれば、各種のリニアおよびＸ・Ｙ軸座
標測定システムにおいて広く利用することができる。か
くして、図１のゲージに類似したリニア・ゲージを使用
するため特に図示したが、先行技術のスピンドルの代わ
りに、被測定物の軸方向の動きまたは位置を測定部材の
軸方向の動きに伝達し、可動部材の軸方向の動きを測定
対象となる測定部材の軸方向の動きから吸収する装置に
使用することができる。

【００５７】本発明の概念を、多くの他の実施態様に関
して記述し図示してきた。ここに示した装置を幾らか修
正しても、発明の原理により作動することがあり得るこ
とは通常の技術的能力を持つ者にとって明白なことであ
ろう。実施態様のいずれかが、図７の実施態様に限らず
、可動部材５３　　に連結されることもある。本発明の
原理により作動するいかなる相当装置も、ここに開示さ
れた実施態様と同一でなくても、本発明の範囲に属する
。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、構造を複雑化させるこ
となく高精度が得られるスピンドルを有するリニア測定
器および測定方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術によるリニア・ゲージの正面図。

【図２】ブッシュ内に取り付けられた先行技術によるス
ピンドルの部分断面図。

【図３】図２の先行技術によるスピンドルの非軸方向の
動きによってもたらされる誤差を図示する部分断面図。

【図４】本発明の原理によって、ロッドを有する中空ス
ピンドルの部分断面図。

【図５】図４のスピンドルの非軸方向の動きを吸収する
ロッドを図示する部分断面図。

【図６】中空スピンドル内にあるロッドの別の実施態様
を示す部分断面図。

【図７】中空スピンドル内にあるロッドの更に別の実施
態様を示す部分断面図。

【図８】測定部材から生ずるスピンドルの非軸方向の動
きを吸収するため、端部に球面を有するスピンドルの別
の実施態様の断面図。

【図９】スピンドルの非軸方向の動きを吸収する数学的
公式を図示するためのロッドの部分断面図。

【図１０】ブッシュ間隙の範囲に関して、先行技術によ
るスピンドルおよび発明の２つの実施態様に関しもたら
される可能性のある誤差のグラフ。

【符号の説明】

１０　　測定部材 １２　　ブッシュ ３０　　スピンドル ３２　　ロッド ５４　　ハウジング

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ブッシュ部材を有するハウジングと、
   前記ハウジング内のリニア距離測定アセンブリと、スピ
   ンドルがブッシュ部材内で動くことによって前記ハウジ
   ングに関連して動くように前記ブッシュ部材内にスライ
   ド自在に取り付けられたスピンドルで、測定される表面
   に接触するために適したチップを有し、前記チップに対
   置する前記スピンドルの端部から前記チップに向けて伸
   びる中空シャフトを含むスピンドルと、前記スピンドル
   の前記中空シャフト内に位置されたロッドで、前記スピ
   ンドルの中空シャフトを通って伸び、その一端で前記ス
   ピンドルに直接接続し、その他端で前記測定部材と直接
   接続して、前記スピンドルの軸方向の動きが前記ロッド
   を介して前記測定アセンブリに伝達されるようになって
   いるロッドと、から成るスピンドルを有するリニア測定
   器。
2. 【請求項２】　　前記ロッドが全長にわたって一定の直
   径である請求項１記載のスピンドルを有するリニア測定
   器。
3. 【請求項３】　　前記ロッドが一方の端部に隣接するく
   びれた細い直径部分を含み、前記ロッドの軸に垂直方向
   に高い弾力性を有する前記ロッドの領域を備え、上記ロ
   ッドが軸方向に比較的圧縮されない状態を維持し、スピ
   ンドルの非軸方向の動きを測定部材の軸方向の動きから
   一層大きく吸収する請求項１記載のスピンドルを有する
   リニア測定器。
4. 【請求項４】　　前記ロッドが両端に隣接するくびれた
   細い直径部分を含む請求項１記載のスピンドルを有する
   リニア測定器。
5. 【請求項５】　　前記ロッドの外部円筒面を前記スピン
   ドルの内部円筒面に連結し、前記ロッドと前記スピンド
   ルの間に接着剤を添付することによって、前記ロッドを
   前記スピンドルに固定して接続する請求項１記載のスピ
   ンドルを有するリニア測定器。
6. 【請求項６】　　前記測定アセンブリが測定部材を含み
   、前記測定部材が埋め込み領域および前記埋め込み領域
   に伸びる前記ロッドを有し、前記ロッドが前記埋め込み
   領域内にしっかりと保持されている請求項１記載のスピ
   ンドルを有するリニア測定器。
7. 【請求項７】　　前記ロッドがそれを測定部材に固定す
   る止めネジにより前記埋め込み領域内にしっかりと保持
   され、その連結が固定的であるが取り外し可能な請求項
   ６記載のスピンドルを有するリニア測定器。
8. 【請求項８】　　　　前記ロッドの外径が、所与のブッ
   シュ間隙に基づいて、ロッドがスピンドルの最大傾斜時
   点において前記スピンドルの内壁に接触しないようにす
   る数値だけ前記中空シャフトの内径より小さいように選
   定される請求項１記載のスピンドルを有するリニア測定
   器。
9. 【請求項９】　　ブッシュ部材を有するハウジングと、
   前記ハウジング内の測定部材で、測定される物品と連結
   するのに適した前記測定部材と、測定対象の前記物品の
   表面に接触するのに適したチップと前記チップと反対側
   の前記スピンドルの端部から前記チップに向かって伸び
   る中空シャフトを有するスピンドルと、前記スピンドル
   が前記ブッシュ部材内で動くことにより前記ハウジング
   に関連してスムースに動くように、前記ブッシュ部材の
   中にスライド自在に取り付けられた前記スピンドルと、
   前記中空シャフト内に位置し、前記スピンドルよりフレ
   シキブルなロッドで、前記ロッドがその一端で前記スピ
   ンドルに固定的に接続し、他端で前記測定部材に固定的
   に接続し、前記スピンドルの軸方向の動きが前記ロッド
   を介して前記測定部材に伝達されるが、前記スピンドル
   の非軸方向の動きが前記測定部材の軸方向の動きから大
   幅に吸収される前記ロッドとを有するハウジングと、か
   ら成るスピンドルを有するリニア測定器。
10. 【請求項１０】　　前記ロッドが比較的低い軸方向の圧
    縮性を有するスチール合金を含む請求項９記載のスピン
    ドルを有するリニア測定器。
11. 【請求項１１】　　前記測定部材がその軸方向の変位に
    基づいて容量が変化する容量性センサを備える請求項９
    記載のスピンドルを有するリニア測定器。
12. 【請求項１２】　　前記測定部材が光学センサを使用し
    て軸方向の変位を測定する光学グレーティングと光学変
    位センサを備える請求項９記載のスピンドルを有するリ
    ニア測定器。
13. 【請求項１３】　　前記ロッドが磁化され、前記測定部
    材として機能する請求項９記載のスピンドルを有するリ
    ニア測定器。
14. 【請求項１４】　　前記ロッドの軸に垂直方向に高い弾
    力性を有する前記ロッドの領域を提供するため、前記ロ
    ッドが一方の端部に隣接するくびれた細い直径部分を有
    するが、前記ロッドが前記くびれた部分のないのとほぼ
    同じ軸方向の圧縮性を有する請求項９記載のスピンドル
    を有するリニア測定器。
15. 【請求項１５】　　前記被測定物が可動部材で、前記ス
    ピンドルが前記被測定物に直接接続する請求項９記載の
    スピンドルを有するリニア測定器。
16. 【請求項１６】　　前記被測定物が静止した物品で、前
    記スピンドルが前記被測定物の高さを測るためにそれに
    接触するように動かされる請求項９記載のスピンドルを
    有するリニア測定器。
17. 【請求項１７】　　ブッシュ部材を有するハウジングと
    、前記ハウジング内にあるリニア距離測定部材でその一
    端に接触面を含む部材と、前記スピンドルが前記ブッシ
    ュ部材内で動くことによって前記ハウジングに関連して
    動くように前記ブッシュ部材内にスライド自在に取り付
    けられたスピンドルで、前記スピンドルが前記測定部材
    の接触面に接する球状の面を含み、その球面は、前記ス
    ピンドルの動きが前記球面との接触を介して前記測定部
    材に伝達されるように前記スピンドルの長さとほぼ等し
    い直径の球の湾曲に等しい湾曲を有するスピンドルと、
    前記測定部材に連結し、前記可動部材を前記スピンドル
    部材と固定的に接する状態で保持するために前記測定部
    材を前記スピンドルの方に片寄らせるスプリング部材と
    、から成るスピンドルを有するリニア測定器。
18. 【請求項１８】　　さらに、前記スピンドルの反対側の
    端部に第２の球面を含み、前記ロッドが第１および第２
    の球面の接触部位上の球に近似するよう前記第１の球面
    と同じ曲率を有する請求項１７記載のスピンドルを有す
    るリニア測定器。
19. 【請求項１９】　　測定部材を可動部材の動きに一致す
    る距離だけ軸方向に動かす方法で、前記可動部材をｚス
    ピンドルに接触させ、前記スピンドルがハウジング内に
    取り付けられ、測定部材に連結される方法と、前記ハウ
    ジングを前記スピンドルに関連して静止した位置に支え
    る方法と、前記可動部材が動くときに前記スピンドルを
    動かし、その動きが軸方向の要素と非軸方向の要素を含
    む方法と、前記測定部材を前記スピンドルの軸方向の動
    きに実質的に等しい数値だけ軸方向に動かし、一方で測
    定部材から生ずる前記スピンドルの動きの非軸方向の要
    素を効果的に吸収するスピンドルを有するリニア測定方
    法。
20. 【請求項２０】　　さらに、前記スピンドル内のロッド
    を前記スピンドルの軸方向の要素に一致する数値だけ軸
    方向に動かし、前記スピンドルが中空領域を含み、前記
    ロッドが前記スピンドル内にあって、前記ロッドの一端
    が非軸方向の要素とともに動き前記ロッドの他端が実質
    的に唯一の軸方向の動きをもつことができるようにフレ
    シキブルな領域を含む請求項１９記載のスピンドルを有
    するリニア測定方法。
21. 【請求項２１】　　前記フレシキブルな領域が前記ロッ
    ドの他の領域より小さい直径を持つくびれた領域を含む
    請求項２０記載のスピンドルを有するリニア測定方法。