JP4223718B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械及び産業機械等における、デジタルスケール、ゲージ及びエンコーダ等の位置検出に使用される位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械や産業機械等の直線移動部分である可動部の移動量や移動距離を検出する位置検出装置としては、様々なタイプのものが提案されている。
【０００３】
このような位置検出装置としては、図１に示すような、位置検出装置２がある。以下に位置検出装置２について述べる。
【０００４】
位置検出装置２は、磁気目盛りを記録したスケール３０と、スケール３０に記録された磁気目盛りを検出する検出器３１とを備えている。
【０００５】
スケール３０は、例えば、平板の形状をした記録媒体に、長手方向に沿って磁気目盛りが記録されて形成されている。また、ヘッドスライダ内には、スケール３０に記録されている磁気目盛りを検出する検出器３１が設けられている。この検出器３１は、スケール３０に記録されている磁気目盛りが検出できるように、例えば、この磁気目盛りに対向する位置に設けられるとともにヘッドスライダの直線移動に伴いスケール３０の長手方向に平行移動する。
【０００６】
検出器３１には、例えば、磁気目盛りを検出するのに磁気抵抗効果（以下、ＭＲという。）素子を用いたものがある。ＭＲ素子は、所定の成膜方法により、Ｆｅ−Ｎｉ又はＮｉ−Ｃｏ等の強磁性体の薄膜をガラス、シリコン又はセラミック等の基板上に形成し、その薄膜の磁気抵抗効果を利用してスケール上の磁気信号を検出する。
【０００７】
このようなスケール３０と検出器３１との間には隙間（以下、クリアランスという。）が空いており、このクリアランスに異物が混入することがある。異物の混入が原因となって、検出器３１が損傷することがあるため、検出器３１表面に保護するための膜を形成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の位置検出装置２では、混入する異物の大きさがクリアランスより小さい場合には、上記保護膜で対処可能であったが、混入する異物の大きさがクリアランスと同程度又はそれ以上の大きさであった場合には、図３に示すように、上記保護膜の膜厚が薄いため、異物により保護膜が剥がされ、検出器を損傷する問題があった。
【０００９】
また、従来では、主にクリアランスと同程度又はそれ以上の大きさの異物の混入を防ぐために、ワイパーやスクレイパー等の異物混入防止部を検出器の両端、又は周囲に設置する必要があり、位置検出装置が高価となる原因になっていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、ワイパーやスクレイパー等の異物混入防止部を設置することなく、クリアランスと同程度又はそれ以上の大きさの異物の混入を防止することが可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位置検出装置は、上述の課題を解決するために、信号が記録されているスケールと、上記スケールに対向して相対移動可能な位置に配置され、上記スケールから信号を検出する検出器と、上記検出器表面に積層される応力緩和のための弾性層と、上記弾性層に積層される保護膜とを備え、上記検出器表面から上記スケール表面までのクリアランスが２０μｍのとき、上記保護膜の膜厚をａとし、該保護膜表面から該スケール表面までの間隔をｂとすると、ａ≧ｂ≧５μｍであり、上記保護膜は、非磁性材料であるダイアモンドライクカーボン薄膜からなることを特徴とする。
【００１２】
すなわち、位置検出装置では、検出器表面に保護膜を形成し、検出器表面から保護膜表面までの膜厚が、保護膜表面からスケール表面までの間隔よりも厚く形成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の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。
【００１４】
本発明は、例えば図１に示すような位置検出装置１に適用される。
【００１５】
位置検出装置１は、磁気目盛りを記録したスケール１０と、スケール１０に記録された磁気目盛りを検出する検出器１１とを備えている。
【００１６】
スケール１０は、例えば、平板の形状をした記録媒体に、長手方向に沿って磁気目盛りが記録されて形成されている。なお、位置検出装置１は、具体的には、例えば、図２に示すように、スケール１０と、ハウジング１２と、ヘッドスライダ１３と、キャリア１４とにより構成されている。
【００１７】
ヘッドスライダ１３内には、スケール１０に記録されている磁気目盛りを検出する検出器１１が設けられている。この検出器１１は、スケール１０に記録されている磁気目盛りが検出できるように、例えば、この磁気目盛りに対向する位置に取り付けられるとともにヘッドスライダ１３の直線移動に伴いスケール１０の長手方向に平行移動する。
【００１８】
ここで、位置検出装置１による位置検出について以下に述べる。
【００１９】
上述のようなスケール１０と検出器１１とから構成される位置検出装置１は、相対的に直線移動する工作機械等の基準部と可動部とに取り付けられる。この位置検出装置１は、本体部或いはヘッドスライダ１３のいずれか一方が、移動をしない基準部に固定され、他方が、可動部に固定される。このとき、本体部は、内部に設けられたスケール１０の長手方向が、可動部の移動方向に平行となるように取り付けられる。従って、この位置検出装置１では、この可動部の直線移動に応じて本体部とヘッドスライダ１３との相対位置が変化する。
【００２０】
このことにより位置検出装置１では、ヘッドスライダ１３内に設けられた検出器１１がこの相対位置の変化に応じて変化する磁気目盛りを検出し、この可動部の移動位置を制御することができる。
【００２１】
このような位置検出装置１では、磁気目盛りとして、スケール信号が、スケール１０の長手方向に記録される。なお、スケール１０には、スケール信号の他に、原点信号も長手方向に記録されていても良い。
【００２２】
スケール信号は、連続して所定の間隔で繰り返されるピットやマーク等が、スケール１０の長手方向に記録された信号であり、例えば、所定の記録波長で極性が反転する磁気信号が、スケール１０の長手方向に連続して記録された信号である。このようなスケール信号が記録されたスケール１０を用いることにより、位置検出装置１では、本体部とヘッドスライダ１３との相対移動位置の変動をリニアに検出することができ、基準部と可動部との相対位置を連続的に制御することができる。
【００２３】
また、原点信号は、少なくとも１つのピットやマーク等が、スケール１０の長手方向に離散的に記録された信号であり、例えば、１波長分の磁気信号が、スケール１０の長手方向の所定の１カ所に記録された信号である。このような原点信号が記録されたスケール１０を用いることにより、位置検出装置１では、本体部とヘッドスライダ１３との初期設定位置や原点位置等の基準位置を検出することができ、基準部と可動部との相対位置を基準位置に設定することができる。
【００２４】
位置検出装置１では、スケール１０と検出器１１との間に隙間（以下、クリアランスという。）が空いており、このクリアランスに混入した異物により検出器１１の検出面が損傷するのを防ぐために保護膜２０を形成している。しかし、従来のように保護膜２０の膜厚が６μｍ程度だと、図３に示すように、クリアランスに大きさがクリアランスと同程度又はそれ以上の大きさの異物が混入したときに、異物により保護膜２０が剥がされ、検出器１１を物理的に損傷させることがあり、長期信頼性の確保ができない問題がある。また、位置検出装置１の検出感度を向上させる目的から、クリアランスを狭くする必要があり、例えば、クリアランスが２０μｍ程度まで狭まったシステムでは、保護膜としてある程度の厚さでないと、クリアランスに混入した異物により検出器１１を物理的に損傷させなくても、異物による応力が検出素子の特性を劣化させ、その結果、検出信号に悪影響を及ぼし、検出器１１の読み取り性能を低下させる場合がある。
【００２５】
そこで、本発明では、図４に示すように、クリアランスが２０μｍのとき、保護膜２０の膜厚を１０〜１２μｍとして上記問題の解決を図っている。また、保護膜２０の膜厚をａとし、保護膜２０表面からスケール１０表面までの間隔をｂとした場合に、上記例のようにａ≧ｂが成立し、また、ａ≧ｂ≧５μｍが成立するならば、保護膜２０の膜厚は上記以外でも良い。
【００２６】
また、保護膜２０は、非磁性材料の銅、アルミニウム又はダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと呼ぶ。）薄膜等を利用したものであっても良い。
【００２７】
ここで、ＤＬＣ薄膜の特徴について説明する。ＤＬＣ薄膜は、硬度が高く（Ｈｖ≒３０００）、緻密なアモルファス構造のためその表面は非常に滑らかで結晶粒界がない。ＤＬＣ薄膜は、このような表面特性によりＴｉＮ等の他の硬質薄膜に比べて摩擦係数（μ＝０．１〜０．２）が低く耐摩耗性等の特徴を有している。また、ＤＬＣ薄膜は、主な構成元素が炭素であり、切削工具にも広範に使用されており、水溶性切削液の影響を受け難く、硬度も高いため切り粉の影響もきわめて受け難い特性も有している。
【００２８】
また、検出器１１は、例えば、磁気抵抗効果膜（以下、ＭＲ膜と呼ぶ）と、電極とを備えるＭＲ素子を利用したものであっても良い。ＭＲ膜は、Ｎｉ−Ｆｅ合金等からなっており、外部と接続する電極に繋がっている。また、ＭＲ素子は、外部磁界に応じて電気抵抗の変化が生じ、磁気記録媒体に記録された磁気信号を検出する。
【００２９】
上述のようなＭＲ膜にＤＬＣ薄膜を直接形成すると、ＤＬＣ薄膜の応力が原因となりＭＲ膜の磁気抵抗効果が劣化してしまう場合がある。そこで、本発明では、ＤＬＣ薄膜とＭＲ素子との間に応力緩和のための弾性層を形成することとしている。なお、上記弾性層は、保護膜２０を検出器１１に接着させる役目も果たしている。また、保護膜２０を検出器１１に設置する際、弾性のある接着剤を使用することで、保護膜２０に印加されるクリアランス中に侵入した異物からの応力をこの弾性層により検出器１１に伝わりにくくすることができ、更に良好な結果が得られる。なお、保護膜２０の厚みは、検出素子の表面からのものであるが、ＭＲ素子の場合には素子自体の厚みが３０〜１００ｎｍ程度なので、ほぼ検出器１１表面の基板からの厚みと同じである。
【００３０】
つぎに保護膜２０の端面の形状について図５を用いて述べる。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は、保護膜２０を上面から眺めた図である。保護膜２０の形状は、図５（ａ）に示すような平行四辺形、図５（ｂ）に示すような６角形、図５（ｃ）に示すような円形とする。このように、検出器１１の進行方向に対して保護膜２０を傾斜面又は曲面状に形成することにより、異物が保護膜２０の端面にたまるのを防いでいる。なお、異物が保護膜２０の端面にたまるのを防ぐ形状であれば、上記以外の形状でも良い。
【００３１】
また、検出器１１の形状を上記保護膜２０の形状と同様に、進行方向に対して平行四辺形、６角形又は円形等のような傾斜面又は曲面状に形成するようにしても良い。
【００３２】
このようにして、位置検出装置１では、検出器１１表面に形成する保護膜２０の膜厚を、上記保護膜２０表面とスケール１０表面との間隔よりも厚く形成することにより、ワイパーやスクレイパー等の異物混入防止部を設けることなく、スケール１０と検出器１１との間のクリアランス程度の大きさの異物の混入を防ぐことができるので、検出器１１の損傷を防ぐことができる。さらに、位置検出装置１では、検出器１１と保護膜２０の間に弾性層を形成することにより、保護膜２０による応力を緩和し、かつ保護膜２０とスケール１０との間に混入した異物による影響を緩和することができるので、検出器１１の損傷を防ぐことができる。
【００３３】
なお、上述のように、磁気式スケールを本発明の実施の形態として説明したが、本発明はこれに限定されず、光学式スケール、静電容量式スケール又は電磁誘導式スケール等にも適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る位置検出装置は、検出器表面に形成される保護膜の膜厚を、上記保護膜表面とスケールとの間よりも厚く形成することにより、ワイパーやスクレーパー等の異物混入防止部を設けることなく、スケールと検出器との間のクリアランス程度の大きさの異物の混入を防ぐことができ、検出器の損傷を防ぐことができ、さらに、検出器と保護膜の間に弾性層を形成することにより、スケールと検出器との間のクリアランス程度の大きさの異物が混入した際にも、保護膜にかかる応力を緩和し、かつ保護膜とスケールとの間に混入した異物による影響を緩和することができる。さらに、保護膜としてダイアモンドライクカーボン薄膜を用いており、耐摩耗性を有するとともに、水溶性切削液の影響を受け難いので、検出器の損傷を防ぎ、装置全体の耐性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した位置検出装置を示す図である。
【図２】本発明を適用した位置検出装置の具体例を示す斜視図である。
【図３】従来の位置検出装置にクリアランス程度の異物が混入したときの様子を示す図である。
【図４】本発明を適用した位置検出装置の側面図である。
【図５】本発明を適用した位置検出装置に備えられている検出器表面に形成した保護膜の形状を示す図である。
【符号の説明】
１ 位置検出装置、２ 薄膜形成装置、１０ スケール、１１ 磁気ヘッド、１２ ハウジング、１３ ヘッドスライダ、１４ キャリア、２０ 保護膜

Claims (1)

1. 信号が記録されているスケールと、
   上記スケールに対向して相対移動可能な位置に配置され、上記スケールから信号を検出する検出器と、
   上記検出器表面に積層される応力緩和のための弾性層と、
   上記弾性層に積層される保護膜とを備え、
   上記検出器表面から上記スケール表面までのクリアランスが２０μｍのとき、上記保護膜の膜厚をａとし、該保護膜表面から該スケール表面までの間隔をｂとすると、ａ≧ｂ≧５μｍであり、
   上記保護膜は、非磁性材料であるダイアモンドライクカーボン薄膜からなることを特徴とする位置検出装置。

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