JP4434452B2

JP4434452B2 - 測尺装置

Info

Publication number: JP4434452B2
Application number: JP2000246419A
Authority: JP
Inventors: 英一西
Original assignee: ソニーマニュファクチュアリングシステムズ株式会社
Priority date: 2000-08-15
Filing date: 2000-08-15
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: JP2002062124A; ES2423210T3; EP1180662B1; US20020029488A1; US6578283B2; EP1180662A2; EP1180662A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対的に直線移動する可動部を有する工作機械や産業機械、精密測定機器等の機械本体に対して取り付けられ、該可動部の相対移動距離や相対移動位置等の測定に使用される測尺装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測尺装置は、工作機械や産業機械、精密測定機器等（以下、単に機械本体と称する。）において相対的に直線移動する相対向する固定部と可動部に取り付けられ、例えば相対移動位置や相対移動距離等の測定に用いられる。
【０００３】
従来の測尺装置は、上述した固定部と可動部における相対的な直線移動の際の位置検出用の目盛が設けられた長尺のスケールが例えば固定部に取り付けられ、このスケールに設けられた目盛を読み取る検出ヘッドが配設された検出ユニットが可動部に取り付けられる。検出ユニットは、スケール上に位置して配設され検出ヘッドにて目盛の変位を読み取るスライダと、このスライダと連結され機械本体の可動部とともに移動するキャリアとが連結部を介して連結されてなる。
【０００４】
上述した構成の測尺装置においては、機械本体の可動部の直線移動に伴いキャリアが移動すると、スライダがキャリアとの連結部を介して牽引又は押進されてスケール上をその長手方向に沿って走行する。測尺装置は、上述したようなスライダの走行により、該スライダに配設された検出ヘッドにて目盛の変位を読み取って、相対移動位置や相対移動距離の測定を行う。
【０００５】
従来の測尺装置においては、上述したように取り付けられる機械本体の可動部の直線移動に伴ってキャリアが移動し、その移動は機械本体の蛇行やうねりに追従する。また、測尺装置においては、スライダがスケールに接して配設され、スケールの平面度、具体的にはその蛇行やうねりに追従して走行する。すなわち、測尺装置においては、異なる運動に拘束されるスライダとキャリアとによって相対移動位置や相対移動距離の測定が行われ、スライダとキャリアとの位置が測定の際の移動に伴ってずれる虞がある。このスライダとキャリアとの位置ずれは、連結部を介してスライダに伝達される。この種の測尺装置においては、スライダとキャリアとの連結部における接点とは無関係にスライダ又はキャリアに対して力を加えることにより、両者を連結しているため、上述したような位置ずれによりスライダの走行方向以外の方向、換言するとスライダの直線移動を阻害する方向の力学的ベクトルが生じ、戻り誤差や繰り返し精度の低下に起因する測定誤差が発生する。一般に、測尺装置においては、特に高性能、高分解能を達成するほどスライダとキャリアとの連結部分において生じる力学的ベクトルによる接触摩擦力が運動を阻害する力となって繰り返し精度、戻り誤差に影響を与える。
【０００６】
そこで、スライダとキャリアとの連結部には、取付け公差や部品公差を許容するために姿勢変化が可能な自在機構が設けられている。
【０００７】
例えば、特開平４−２３１８１０号公報に記載された位置測定装置では、測定方向に固定された連結部を介して目盛板を走査する走査ユニットが工作機械の固定台に装着されており、連結部は走査ユニットに固定された板状の第一連結部品と、連行体に固定した球面状先端面を有するピンである第二連結部品とで構成され、両連結部品の間に摺動層が設けられることによって、相対移動が生じても、両方の連結部品の間に測定できない摩擦を生じさせ、測定精度の低下を排除するようにしている。
【０００８】
また、特開平５−８７５５２号公報に記載された測尺装置では、スライダ側カップリング部材に対して中間カップリング部材が摺動可能に連結される一方、中間カップリング部材とキャリア側カップリング部材とが凹部と凸部とを介して線接触されることにより検出精度誤差が修正されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平５−８７５５２号公報に記載された測尺装置のように、中間カップリング部材とキャリア側カップリング部材とが凹部と凸部とを介して線接触されるようにした自在連結方式では、機械の振動や走行精度の真直度、及び、スケールの真直度により、スライダ側カップリング部材と中間カップリング部材とが面接触した状態で摩擦移動する。すなわち、中間カップリング部材とキャリア側カップリング部材とが凹部と凸部との摩擦力を超えたときに、角度変化を伴った滑り運動をするのであるが、部品精度の平面粗さに差異があると摩擦力が変わるので、個体差を生じ、安定した連結性能を引き出すことができなくなってしまう虞があった。
【００１０】
また、特開平４−２３１８１０号公報に記載された位置測定装置のように、走査ユニットに固定された板状の第一連結部品と、連行体に固定した球面状先端面を有するピンである第二連結部品とで構成された連結部では、長期間に亘って使用した場合に、第二連結部品が当接される第一連結部品に振動による摩擦で窪みが形成されてしまい、安定した連結性能が損なわれてしまう虞があった。
【００１１】
さらに、目盛が記録されたスケールをベース体に固定してなるベースユニットと、このベースユニットに対し相対的にスライド可能に設けられ、上記スケールに記録された目盛を検出するセンサを備えたスライダユニットとにより構成される測尺装置では、運動方向に対して直角でない場合に、機械運動による振動やスケールの平面のうねりによって発生する振幅分だけスライダとキャリッジにずれが生じ、この振れ分がコサイン誤差になって現れる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、位置検出のための目盛が長手方向に沿って設けられた長尺のスケールと、上記スケールに沿って走行しかつ上記目盛を読み取って位置検出信号を得る検出ヘッドが設けられたキャリッジと、上記キャリッジと連結されかつ上記キャリッジを上記スケールの長手方向に沿って走行させるスライダとを備える測尺装置において、スライダとキャリッジに相対運動が生じた場合に、その連結部品間に発生する位置変化によるアッベ誤差を排除して、測定誤差の低減を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、位置検出のための目盛が長手方向に沿って設けられた長尺のスケールと、上記スケールに沿って走行しかつ上記目盛を読み取って位置検出信号を得る検出ヘッドが設けられたキャリッジと、上記キャリッジと連結されかつ上記キャリッジを上記スケールの長手方向に沿って走行させるスライダとを備える測尺装置において、上記キャリッジの移動方向の一端において、上記キャリッジとスライダとを球体を介して当接させた状態で、上記キャリッジとスライダとを互いに引きつける方向の弾性力を有する弾性部材により連結してなり、上記球体は、上記キャリッジの移動方向と直交する軸受平面を有する平面軸受部と、上記キャリッジの移動方向に頂部を備えた軸受円錐面を有する円錐軸受部により支持されることを特徴とする
【００１４】
【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。
【００１５】
本発明は、例えば図１乃至図４に示すような構成の測尺装置１０に適用される。
【００１６】
この測尺装置１０は、ベースユニット２０と、このベースユニット２０に対して相対的にスライド可能に設けられるスライダユニット３０とにより構成されている。
【００１７】
ベースユニット２０は、図１及び図２に示すように、ベース本体としての長尺状の筐体２１の内部に、長尺なスケール２２を固定してなり、筐体２１に形成された固定穴において取付け用ネジ２３によって被測定物の一方に固定される。一方、スライダユニット３０は、スケール２２の目盛を読み取る検出ヘッド３１が設けられたキャリッジ３２と、キャリッジ３２を支持するスライダ３３とからなり、上記スライダ３３に形成された固定穴において取付け用ネジ３４によって被測定物の他方に固定される。そして、被測定物の直線移動動作と一体にスライダユニット３０がベースユニット２０に対しスケール２２の長さ方向（図２中、矢印ｘ方向）に相対的にスライドすることにより、スケール２２の目盛を検出ヘッド３１で読み取って電気信号としてケーブル５０を介して出力され、被測定物の移動位置の検出（測定）が行われる構造となっている。
【００１８】
すなわち、この測尺装置１０は、産業機械、工作機械等の一部として構成されかつ相対的に直線移動する固定部と可動部の相対移動位置や相対移動距離を測定するものであり、上記工作機械等においての相対移動する例えば固定部に上記ベースユニット２０が取り付けられ、また、上記スライダユニット３０のキャリッジ３２に連結されたスライダ３３が可動部に取り付けられる。
【００１９】
ベースユニット２０のベース体としての長尺状の筐体２１は、図３に示すように略コ字形の断面形状を有する長尺な部材であり、その内部に平板かつ長尺形状を呈するスケール２２及び丸棒状のガイドバー２４が、その長手方向と筐体２１の長手方向とが一致するように収納設置されている。また、この筐体２１の開放された一側面は、図１に示すように、切削油等の侵入を防止するために、ゴム等の可撓性材料により形成された二枚のダストシール２５Ａ，２５Ｂにより開放自在に閉じられている。なお、この測尺装置１０は、筐体２１の断面形状を略コ字形とし、その開放面を下に向けた状態で使用する場合において、スケール２２を、目盛の記録面が筐体２１の開放面と略直角となるように配置したことにより、万一筐体２１内に異物が入り込んでも、この異物はスケール２２の目盛を記録したスケール面上にとどまることができないため、常に正確な位置検出が可能な状態に保たれる。また、スケール２２の自重による撓みが少なくなるので、より安定した高精度な位置検出を行うことができる。
【００２０】
なお、この筐体２１は、所定の剛性を有する金属材によりなり、例えば板金を折り曲げて成形したものであってもよいし、あるいは、アルミニウムを押し出し成形したものであってもよい。勿論、機械加工により製作されたものであってもよい。
【００２１】
ここで、スケール２２は、筐体２１の長手方向の両端部に配設された一対のブラケット２６により、その両端が支持されて筐体２１内の所定位置に固定される。スケール２２の一方主面（スケール面と称する。）２２ａ上には、位置検出用の目盛２２ｂが設けられている。目盛２２ｂは、スケール２２の長手方向に沿って所定間隔で連続して記録された位置信号であり、その形態としては例えば所定の間隔でピットやマークが形成されたものやスケール面２２ａ上にグレーティングが施されたもの、また外観上目盛としてはあらわれないが所定の記録波長で極性が反転する磁気信号が着磁されたもの等がある。スケール２２は、目盛２２ｂを読み取り位置信号を検出する検出ヘッド３１の種類によりその材料を代えて成形され、例えば検出ヘッドに光学系の検出ヘッドを用いる場合にはガラス等の硝材材料、磁気ヘッドを検出ヘッドとして用いる場合には金属材料により成形される。この例では、上記スケール２２としてガラススケールが用いられている。
【００２２】
次に、スライダユニット３０を構成するキャリッジ３２は、上記筐体２１に設けられたスケール２２のスケール面２２ａ上を転動するベアリング３５ａ，３５ｂ，３５ｃとガイドバー２４に沿って転動するベアリング３６ａ，３６ｂが設けられており、上記スケール２２のスケール面２２ａ上をその長手方向に移動自在とされている。このキャリッジ３２には、その移動方向の一端中央部分に上記移動方向と直交する軸受平面を有する平面軸受部３７が設けられている。
【００２３】
また、スライダユニット３０を構成するスライダ３３には、その上面中央に連結アーム３８が設けられており、この連結アーム３８が上記筐体２１の開放された一側面より筐体２１内に挿入されている。上記スライダ３３の連結アーム３８には、上記キャリッジ３２に設けられた平面軸受部３７と対向する位置に円錐軸受部３９が設けられている。この円錐軸受部３９は、上記キャリッジ３２の移動方向に頂部３９ａを備えた軸受円錐面３９Ａを有する。
【００２４】
そして、上記キャリッジ３２に設けられた平面軸受部３７と上記連結アーム３７に設けられた円錐軸受部３９との間に球体４０を配した状態で、上記キャリッジ３２と連結アーム３８が二本の引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂにより連結されている。上記二本の引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂは、上記円錐軸受部３９の軸受円錐面３９Ａの頂部３９ａを通る上記キャリッジ３２の移動方向と平行な直線を挟んで互いに対象に配置され、上記平面軸受部３７と円錐軸受部３９により上記球体４０の保持状態を維持するように弾性力を与える。
【００２５】
この測尺装置１０では、スライダユニット３０を構成するキャリッジ３２とスライダ３３との連結構造として、平面軸受部３７と上記連結アーム３８に設けられた円錐軸受部３９との間に球体４０を配した状態で、上記キャリッジ３２と連結アーム３８が二本の引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂにより連結する構造を採用したので、図４に示すように、円錐軸受部３９により支持される球体４０がキャリッジ３２に固定した平面軸受部３７とほぼ点に近い接触状態で滑り運動することになり、しかも、球体４０と円錐軸受部３９の軸受円錐面とが滑ることで、回転運動をする自在連結機構となっているので、球体４０の良好で安定した表面粗度が、従来の平面と平面との滑り運動と比較して、極めて円滑な滑り運動を行う自在連結機構を実現することができる。
【００２６】
ここで、球体４０と円錐軸受部３９の軸受円錐面３９Ａの角度について、図５の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、スケール運動方向と平行な場合を０度とし、θ＝１５度（軸受円錐面３９Ａの頂角が３０度）、θ＝２２．５度（軸受円錐面３９Ａの頂角が４５度）、θ＝４５度（軸受円錐面３９Ａの頂角が９０度）、θ＝６０度（軸受円錐面３９Ａの頂角が１２０度）及びθ＝９０度（軸受円錐面３９Ａの頂角が１８０度すなわち面対向）の場合について検討する。
【００２７】
キャリッジ３２とスライダ３３を引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂにより連結する力をＦ（この例ではＦ＝４．１７Ｎ）とし、摩擦係数をμとした場合、球体と平面軸受部との摩擦力はμＦで示されるのに対し、球体４０と円錐軸受部３９との摩擦力ｆは図６に示すようにμＦ・ｓｉｎθにて与えられる。摩擦係数μの実測値は約０．３〜０．４程度であった。
【００２８】
球体４０と平面軸受部３７との摩擦力を少なくする方がよいので、軸受円錐面３９Ａの頂角３９ａは狭角に近づけた方がよいのであるが、球体４０の保持を考慮し、且つ、スケール面２２ａと球体中心との距離がアッベ誤差として直接影響するので、球体４０の直径を極力小さくする必要があり、本例では、例えば直径３ｍｍの球体４０を用いることとし、この球体４０を保持するためにθ＝６０度を採用した。θ＝６０度における球体４０と円錐軸受部３９との摩擦力ｆは、μＦ・ｓｉｎθ＝０．８７μＦであるから、μ＝０．４，Ｆ＝４．１７Ｎを代入することにより、１．４５Ｎとなる。したがって、スケール面２２ａの平坦度や機械的振動が発生した場合に、キャリッジ３２がスケール２２を挟み付ける力が１．４５Ｎを超えても破綻を来さないような応力になるようにベクトル成分の設計をする必要がある。
【００２９】
因みに、θ＝０度の場合は、μＦ＝０で転がり軸受（対面）と同じになり、図５の（Ａ）に示すθ＝１５度の場合は０．２６μＦ、図５の（Ｂ）に示すθ＝２２．５度の場合は０．３８μＦ、図５の（Ｃ）に示すθ＝３０度の場合は０．５μＦ、θ＝６０度の場合は０．８７μＦ、図５の（Ｄ）に示すθ＝９０度の場合は１μＦである。
【００３０】
ここで、例えば、球体４０は、表面粗度が０．０５μｍ以下で硬度がＨｒｃ６５以上とする。円錐軸受部３９は、軸受円錐面３９Ａの表面粗度が０．４μｍ以下で硬度がＨｒｃ６０〜６４程度とする。平面軸受部３７は、平坦度４μｍ、表面粗度が０．１μｍ以下で硬度がＨｒｃ６５以上とする。上記球体４０にはセラミックボールあるいはスチールボールが用いられる。また、上記円錐軸受部３９及び平面軸受部３７は、セラミックあるいは超硬材料により形成される。
【００３１】
このように各面の表面粗さを若干異なるように加工し、一致させないようにすることによって、緩やかな振動に対しても、吸着せず、滑り易い良好な接触面とすることができる。
【００３２】
上記平面軸受部３７は、図７の（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、円形状や四角形状とすることができる。
【００３３】
なお、図８に示すように、キャリッジ３２に固定された平面軸受部３７が運動方向に対して直角でなかった場合の角度をθａとすると、振動幅×ｔａｎ（θａ）の誤差ｅが発生する。そして、図９に示すように、スケール面の筐体２１への接着精度として約０．０５ｍｍ程度の平面度を許容する場合、平面軸受部３７の取付け直角度を５分（０．０８３３度）という公差に収めるようにオートコリメータで測定管理すると、誤差ｅが発生する振動幅は最大で０．０５ｍｍであるから、最大値で０．０５×ｔａｎ（θａ＝０．０８３３度）すなわち約０．００００７２ｍｍの誤差が発生することになり、０．０００１ｍｍの分解能で測定するスケールでは、許容できる限界値となる。
【００３４】
このように、この測尺装置１０では、キャリッジ３２とスライダ３３とを球体４０による転がり軸受を介して当接させた状態で、上記キャリッジ３２とスライダ４０とを互いに引きつける方向の弾性力を有する引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂにより連結したことにより、上記スライダ４０とキャリッジ３２に相対運動が生じた場合に、連結部品間に発生する位置変化によるアッベ誤差を排除することができ、測定誤差を低減し、高精度に測定を行うことができる。
【００３５】
ここで、この測尺装置１０では、上記平面軸受部３７と円錐軸受部３９により上記球体４０の保持状態を維持するように弾性力を与えるために、上記円錐軸受部３９の軸受円錐面３９Ａの頂部３９ａを通る上記キャリッジ３２の移動方向と平行な直線を挟んで互いに対象な位置に二本の引っ張りコイルバネ４１Ａ，４１Ｂを配したが、例えば、図１０に示すように、スライダユニット３０の構造を変形して、上記円錐軸受部３９の軸受円錐面３９Ａの頂部３９ａを通る上記キャリッジ３２の移動方向と平行な直線上に一本の引っ張りコイルバネ４１を配するようにして、上記平面軸受部３７と円錐軸受部３９により上記球体４０の保持状態を維持するように弾性力を与えるようにしてもよい。
【００３６】
また、図１１に示すように円錐軸受部３９に複数の小径の球体４２を配しピボット軸受構造とすることもできる。さらに、上記円錐軸受部３９に替えて、図５の（Ｄ）及び図１２に示すように円筒部４３を設けた平面軸受部４４を用いるようにして、上記キャリッジ３２の移動方向と直交する軸受平面を有する一対の平面軸受部３７，４４により上記球体４０を支持する構造とすることもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る測尺装置では、スケールに沿って走行しかつ上記目盛を読み取って位置検出信号を得る検出ヘッドが設けられたキャリッジと、上記キャリッジを上記スケールの長手方向に沿って走行させるスライダとを、上記キャリッジの移動方向の一端において、上記キャリッジとスライダとを球体による転がり軸受を介して当接させた状態で、上記キャリッジとスライダとを互いに引きつける方向の弾性力を有する弾性部材により連結してなり、上記球体は、上記キャリッジの移動方向と直交する軸受平面を有する平面軸受部と、上記キャリッジの移動方向に頂部を備えた軸受円錐面を有する円錐軸受部により支持されるので、上記スライダとキャリッジに相対運動が生じた場合に、連結部品間に発生する位置変化によるアッベ誤差を排除することができ、測定誤差を低減し、高精度に測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した測尺装置を筐体の一部を切り欠いて示す外観斜視図である。
【図２】上記測尺装置を筐体の一部を切り欠いて示す要部正面図である。
【図３】上記測尺装置の縦断側面図である。
【図４】上記測尺装置においてスライダとキャリッジに相対運動が生じた状態を示す要部正面図である。
【図５】上記測尺装置におけるスライダとキャリッジの連結部分を構成する球体と円錐軸受部の軸受円錐面の角度を模式的示す図である。
【図６】上記球体と円錐軸受部との摩擦力を模式的示す図である。
【図７】上記測尺装置におけるスライダとキャリッジの連結部分を構成する平面軸受部の形状例を模式的示す図である。
【図８】キャリッジに固定された平面軸受部が運動方向に対して直角でなかった場合に発生する誤差を模式的示す図である。
【図９】上記測尺装置において発生する誤差の最大値を説明するために図である。
【図１０】上記スライダユニットの構造を変えた変形例を筐体の一部を切り欠いて示す要部正面図である。
【図１１】上記円錐軸受部をピボット軸受構造とした場合の要部断面図である。
【図１２】一対の平面軸受部により球体を支持する構造を示す要部斜視図である。
【符号の説明】
１０測尺装置、２０ベースユニット、２１筐体、２２スケール、２２ａスケール面、２２ｂ目盛、２３取付け用ネジ、２４ガイドバー、２５Ａ，２５Ｂダストシール、２６ブラケット、３０スライダユニット、３１検出ヘッド、３２キャリッジ、３３スライダ、３４取付け用ネジ、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３６ａ，３６ｂベアリング、３７平面軸受部、３８連結アーム、３９円錐軸受部、３９ａ頂部、３９Ａ軸受円錐面、４０球体、４１，４１Ａ，４１Ｂ引っ張りコイルバネ、４２小径の球体、４３円筒部、４４平面軸受部、５０ケーブル

Claims

位置検出のための目盛が長手方向に沿って設けられた長尺のスケールと、上記スケールに沿って走行しかつ上記目盛を読み取って位置検出信号を得る検出ヘッドが設けられたキャリッジと、上記キャリッジと連結されかつ上記キャリッジを上記スケールの長手方向に沿って走行させるスライダとを備える測尺装置において、
上記キャリッジの移動方向の一端において、上記キャリッジとスライダとを球体を介して当接させた状態で、上記キャリッジとスライダとを互いに引きつける方向の弾性力を有する弾性部材により連結してなり、
上記球体は、上記キャリッジの移動方向と直交する軸受平面を有する平面軸受部と、上記キャリッジの移動方向に頂部を備えた軸受円錐面を有する円錐軸受部により支持されることを特徴とする測尺装置。
上記球体は、上記平面軸受部と、上記円錐軸受部に複数の小径球体を配したピボット軸受部により支持されることを特徴とする請求項１記載の測尺装置。