JP5537685B2 - エンコーダヘッドの交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに移動可能な対象物の相対位置の測定、特に工作、加工装置などの位置測定に用いられるリニアエンコーダのヘッド交換方法に関するものである。

工作機械等において、被加工物に対する工具の相対移動量を正確に測定することは、精密加工を行う上で極めて重要であり、このための測定装置が種々製品化されている。

このような測定装置として、相対移動する検出器により絶対位置を検出するリニアエンコーダが知られている。従来のリニアエンコーダの一例として、矩形管状のケースに測定用スケールを納めたリニアエンコーダを図１２、図１３に示す。図１２は従来のリニアエンコーダの正面図、図１３は平面図である。図示例のリニアエンコーダは、測定用スケールを収納するハウジング１とこのハウジング１を対象物に固定するエンドブロック２と、前記ハウジング１に収納されたスケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッド３とを有する。エンドブロックには固定用のねじ孔１１が、エンコーダヘッド３にも固定用のねじ孔３１が設けられていて、それぞれ相対移動可能な対象物の一方と、他方とにねじ止めされてハウジング内のスケールにより移動量を測定できるようになっている。

しかし、このような構造のリニアエンコーダは、検出器に不具合が生じてエンコーダヘッドを取り外す必要が生じた場合、エンドブロック２が接着されているため容易には取り外すことができない。このため、通常はリニアエンコーダ全体を取り外して持ち帰り、修理調整を行った後、再び対象物に組み付けるという処理が必要になる。このことは、エンドユーザーや、現場作業者にエンコーダの位置精度出しという困難な作業を再び強いることになる。また、エンコーダを修理している期間は、工作、加工装置などの対象物を稼働することができず、生産性が低下するという不具合も生じる。さらに、エンコーダの取り付け精度が、ハウジング１とエンドブロック２という複数の部品の寸法精度に依存することになり、取り付け精度の管理が困難になる。

一方、対象物に取り付けた状態で、エンドブロック２を取り外そうとすると、ハウジング１の一方の固定端を失うことになり、ハウジングが動いてエンコーダの取り付け精度が大幅に損なわれてしまう。

米国出願５８３２６１６号ならびに特開平１０−２２１００２号公報（特許文献１）には、長さ測定装置を、その端面側端を簡単に製造可能でかつ正確かつ再現可能な位置測定を保証する組み立てブロックを介して緊塞されるようにすることを目的として、管状ハウジング１の内方に配設されている、測定方向Ｘに向いた測定尺２とハウジングの内方の、測定尺２の走査のための縦移動可能な走査ユニット４とを備えた長さ測定装置にして、ハウジング１の端面側端の各々は組み立てブロック５によって閉鎖されており、組み立てブロックによってハウジング１が測定されるべき対象物に固定可能である前記長さ測定装置において、組み立てブロック５に少なくとも１つの挿入部材１０、２０が固定されており又は形成されており、挿入部材はハウジング１の空所１１、２１内に係入しておりかつその係入によって組み立てブロック５はハウジング１に対して測定方向Ｘに形状一体的に拘束されていることを特徴とする長さ測定装置が開示されている。つまり、この文献の長さ測定装置は、ハウジング端部１に組み立てブロック５を有する。

しかし、この文献の長さ測定装置は、ハウジング１と組み立てブロック５とが、ハウジングの長さ方向の異なる部分を占め、長さ測定装置の取り付け精度がハウジング１と組み立てブロック５のそれぞれの部品の寸法精度に依存することになる。このため、ハウジング１と組み立てブロック５の双方で高精度の加工が必要であり、寸法管理が複雑になる。また、組み立てブロック５の挿入部材１０は、ハウジング１の長さ方向に対して鉛直な方向から挿入するため、挿入に要する力加減によっては、ハウジング１が上下方向に動いてしまい位置精度が狂いやすい。

さらに、ハウジング１のスリット８はシールリップ６．１，６．２によりシールされているが、ハウジングの両端は組み立てブロック５によりシールされているだけであり、ハウジング１内の完全な密閉、防塵環境を形成する上で不十分である。密閉、防塵性能を向上させるためには、ハウジング１と組み立てブロック５の接合面を高精度に加工する必要があるが、これはリニアエンコーダのコストを上昇させるため望ましくない。

欧州特許１４４５５８４号ならびに特開２００４−２４５５９１号公報（特許文献２）には、環境条件等にかかわらず線膨張率を異にするスケール部材を機器に対して高精度に取付可能として高精度の測定が行い得るようにすることを目的として、位置信号が設けられた長尺部材からなり一対の共締め孔１２が位置信号形成部１１を挟んで形成されたスケール部材６と、スケール部材６を内部に収納して機器固定部２に設けた取付部１０にねじ込まれる取付部材１３が嵌挿される一対の取付孔１５が形成されたケース部材７とからなるスケール部４と、機器固定部２と相対移動する機器可動部３に取り付けられて検出センサ２９がスケール部材６の位置信号形成部１１と対向して移動する検出部５とから構成され、機器固定部２に対してスケール部４が、スケール部材６とケース部材７とを取付部材１３によって共締めして固定されるスケール装置が開示されている。

この文献のスケール装置は、左右一対のサイドケース部材９Ａ、９Ｂを有し、このサイドケース部材９は、同文献図４に示すように第１ケース部材７の両側面開口部の形状とほぼ等しい外形を有する板状の基部１９と、この基部１９の内面に一体に突出形成されたスペーサ部２０とからなる。サイドケース部材９には、第１ケース部材７に組み合わされた状態においてこの第１ケース部材７の取付孔１５とガイド孔１６と同軸上に位置されるガイド孔２１が、スペーサ部２０を貫通して形成されている。また、スペーサ部２０が、第１ケース部材７の第１の側面部７ｂに接合されたスケール部材６の第１の主面６ａと第１ケース部材７の第２の側面部７ｃとの間に介挿されるようにして第１ケース部材７に組み合わされる。組み合わせ状態において、スペーサ部２０の第１の側面２０ａがスケール部材６の第１の主面６ａと接するとともに第２の側面２０ｂが第１ケース部材７の第２の側面部７ｃの内面と接する。これによって第１ケース部材７と第２ケース部材８の開口側面部を閉塞するとともにスケール部材６を介して第１の側面部７ｂと第２の側面部７ｃとの対向間隔を保持する。

この文献のスケール装置も、第１ケース部材７の第１の側面部７ｂと第２の側面部７ｃの下端縁部から突出する側面部の内面にそれぞれシールリップ部材２４Ａ、２４Ｂが取り付けられて、この部分は密閉している。しかし、前記第１ケース部材７の両端部はサイドケース部材９で密閉されるが、特に高精度の光学式エンコーダでは完全な密閉、防塵環境を形成する上で不十分である。密閉、防塵性能を向上させるためには、第１ケース部材７とサイドケース部材９の接合面を高精度に加工する必要があるが、これはリニアエンコーダのコストを引き上げるため望ましくない。

さらに、この文献の構造ではスケール部材６とケース部材７とを、取付部材１３によって共締めして固定されるため、サイドケース部材９を取り外すために取付部材１３を取り外すと、スケール部材６の一端の固定が失われ、スケール部材６が容易に動いて取り付け精度が失われてしまう。

特開平１０−２２１００２号公報（欧州特許１４４５５８４号） 特開２００４−２４５５９１号公報

解決しようとする問題点は、エンコーダヘッドの交換が困難であり、交換時に時間を要し、しかも交換の際に高精度の位置出し作業を必要とし、エンコーダの部品構成が複雑で、加工精度も要求される点である。また、エンコーダの交換時には、エンコーダが装着されている装置を停止することになり、その期間が長いとユーザーの大きな負担となる点である。さらに、取り外しのために装置を分解しなければならないことである。

本発明は、上記課題を解決するため以下の構成とした。
（１）スケールを収納するハウジングと、
ハウジングを対象物に固定するエンドブロックと、
スケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッドとを有するリニアエンコーダにおけるエンコーダヘッドの交換方法であって、
ａ）対象物に固定されているエンコーダヘッドを対象物から取り外して移動し、
ｂ）エンコーダヘッドが取り付けられていた対象物とハウジングとを治具により固定し、
ｃ）エンドブロックを取り外し、
ｄ）エンコーダヘッドをセンサユニットと共にハウジングから取り外すエンコーダヘッドの交換方法。
（２）前記治具はエンコーダヘッドの取り付け構造を利用して対象物に取り付けられる上記（１）のエンコーダヘッドの交換方法。

本発明のリニアエンコーダにおけるエンコーダヘッドの交換方法は、センサユニットを有するエンコーダヘッドの交換が極めて容易であり、交換時に時間を要することもなく、しかも交換の際に高精度の位置出し作業が不要であり、エンコーダの部品構成も単純で、加工精度も要求されないという利点がある。

図１はリニアエンコーダの一部斜視図である。（実施例１） 図２は図１の一部透過図である。（実施例１） 図３は図１の側面図である。（実施例１） 図４図３の一部断面Ａ−Ａ矢視図である。（実施例１） 図５は図４の斜視図である。（実施例１） 図６はエンドブロックの分解工程を示した斜視図である。（実施例１） 図７はエンドブロックの分解工程を示した斜視図である。（実施例１） 図８はエンドブロックの分解工程を示した斜視図である。（実施例１） 図９はエンコーダヘッドの取り外し工程を示す斜視図である。（実施例２） 図１０はエンコーダヘッドの取り外し工程を示す斜視図である。（実施例２） 図１１はエンコーダヘッドの取り外し工程を示す斜視図である。（実施例２） 図１２は従来のリニアエンコーダを示す正面図である。 図１３は従来のリニアエンコーダを示す平面図である。

本発明のリニアエンコーダは、例えば図１に示すように測定用スケールを収納するハウジング１とこのハウジング１を対象物に固定するエンドブロック２ａ，２ｂと、前記ハウジング１に収納されたスケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッド３とを有し、前記エンドブロックの一部または全部が前記ハウジング内に収納され、このハウジング内部のエンドブロック収納部とスケール収納部との間に封止部材を有し、前記ハウジングがエンドブロックを介して固定具により対象物に固定されるものである。

このように、ハウジングを固定するエンドブロックをハウジング内に収納することで、エンドブロックに要求される寸法精度を高精度にする必要がなくなり、ハウジングの固定構造に要求される精度も低く抑制することができ、リニアエンコーダの低コスト化を図ることができる。また、エンドブロックは、固定具により固定されるされるため、エンドブロックの取り外しが容易になり、ハウジング自体を取り外すことなくエンコーダヘッドを交換することができる。さらに、ハウジングのスケール収納部には封止部材を有するので、ハウジング端部やエンドブロックの加工精度に左右されることなく、高い密閉、防塵性能を得ることができる。

本発明では、従来ハウジングとは別体として端部に備え付けられていたエンドブロックの一部又は全部をハウジング内に収納する。つまり、ハウジングを終端の固定部まで延長して、取り付け面に接するのはハウジングのみとし、取り付け精度を全てハウジングの寸法に依存させるようにする。このようにすることで、取り付けに関する精度がハウジングの寸法だけを一元的に管理すればよく、位置出し作業が容易になると共に、取り付け精度や再現性も向上する。

エンドブロックは、ハウジングを固定するための固定用ブロックと、ハウジング端部を閉塞する終端ブロックに分離して設けてもよい。エンドブロックを分離することで、各ブロックの担う機能にあわせて、最適な形状、寸法精度や、材料にすることができる。

さらに、本発明のリニアエンコーダは、ハウジングの長手方向の形状を左右対称にすることができ、またハウジングの断面形状も左右対称ないし線対称にすることができる。このため、例えば計測する対象物である加工装置の対向する一方の辺から他方の辺（正面と裏面など）に付け替える場合、従来はハウジングを反転して装着しなければならなかったものが、そのままハウジングの装着面を変えるだけで取り付けることができる。つまり、従来はリニアエンコーダの一端と他端の位置（方向）が１８０°変更されてしまっていたものが、端部の位置（方向）を変更せずに取り付けられる。このため、計測方向も変更する必要がなくなり、計測データを処理したり、利用する工程での変更事項を極めて少なくすることができる。

本発明のリニアエンコーダは、上記構造とすることで、エンドブロックを容易に取り外すことができる。このため、センサユニットを有するエンコーダヘッドを単独で取り外して調整、修理等をすることができる。より具体的には以下の手順による。１）対象物に固定されているエンコーダヘッドを対象物から取り外して邪魔にならない位置に移動し、２）エンコーダヘッドが取り付けられていた対象物とハウジングとを治具により固定し、３）エンドブロックを取り外し、４）エンコーダヘッドを検出器ユニットと共にハウジングから取り外す。そして、エンコーダヘッドを取り付けて、元の状態に復元するときには逆の手順にすればよい。

リニアエンコーダの具体的構成を図１〜８に示す。図１はリニアエンコーダの一部斜視図、図２はその一部透過図、図３は側面図、図４は一部断面Ａ−Ａ矢視図、図５は図４の斜視図、図６〜８はエンドブロックの分解工程図である。図示例のリニアエンコーダは、測定用スケールを収納するハウジング１とこのハウジング１を対象物に固定するエンドブロック２（２ａ，２ｂ）と、前記ハウジング１に収納されたスケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッド３とを有する。

エンドブロック２は、ハウジング端部を閉塞する機能と、ハウジングを固定する機能を併せ持つ。この例では、それぞれの機能毎に２つのブロックに分かれている。具体的には、ハウジング内に収納される固定用ブロック２ｂと、ハウジング端部を閉塞する終端ブロック２ａである。

固定用ブロック２ｂは、ハウジング内に収納可能な大きさの矩形状のブロック状で、ねじなどの固定具１２により固定可能なように取り付け孔２１が形成されている。この固定用ブロック２ｂをハウジング１内のエンドブロック収納部１ｂに収納し、固定具１２をハウジングの固定用開口１１から挿入し、取り付け孔２１を介して対象物にねじ等の固定具を用いて締め付け、押圧し、圧着、固定する。このとき、対象物と固定用ブロック２ｂの間にあるハウジング１も、固定用ブロック２ｂにより対象物に押圧されて固定されることになる。固定具１２は図示例のように斜面の原理を応用した一般的なねじでもよいが、例えばバヨネット（Bayonet）機構など回転動作により締め付け固定する機能を有する機構であればよく、また場合によっては圧着ピン等でもよく、特に限定されるものではない。

固定用ブロック２ｂには、対象物に取り付ける取り付け孔２１と、この取り付け孔２１の対象物固定面とは反対側に段差部２２を介して形成された拡径部２３を有する。通常、この拡径部内に固定具の頭部が収納され、固定具を締め付けることで段差部が対象物側に押圧されて固定される。

図６に示されるように固定用ブロック２ｂはねじ孔２３２を有している。

終端ブロック２ａは、図６に示されるように、ハウジング１の端面と略同じ大きさ、形状になるように形成された板状体である。また、そのハウジング内部側になる裏面側には、後述する封止部材４と連結するための支柱２１４を有する。この支柱２１４には表側に迄貫通した止め孔２１３が形成されている。終端ブロック２ａは、ハウジング１端部を閉塞するため、ハウジング１の端面と略同じ大きさ、形状であることが好ましいが、ハウジング１と対象物との密着性を確保するために、少なくとも対象物側は、ハウジング側面と同一面位置あるいはこれより僅かに凹むような大きさに形成するとよい。終端ブロック２ａの厚さも特に限定されるものではなく必要な強度が確保できる程度であればよい。

この例では固定用ブロック２ｂと終端ブロック２ａを２つのブロックに分けているが、一体に形成してもよい。終端ブロック２ａを構成する材料は、ハウジング１との外観上の統一を図るためには同一材料であることが好ましい。具体的には、アルミニウムやステンレス鋼、あるいは鉄に表面処理を施した材料などを挙げることができる。また、気密性を確保したり、ハウジングとの密着性の向上のため終端ブロック２ａの一部または全部を樹脂材料、エラストマー等で構成してもよい。

封止部材４は、ハウジング１のスケール収納部１ａの気密性、防塵性を確保する。特に、エンドブロック２ａ，２ｂを取り外す際の気密性、防塵性を確保するために有効である。このため、封止部材４は、スケール収納部１ａとエンドブロック収納部１ｂとの間に位置するように配置され、両者の境界を形成する。封止部材４の外形はハウジング同様概ね矩形であるが、ハウジング１内部の形状に則した形状であることが好ましい。さらに、ハウジング内に装着したときに僅かに弾性または塑性変形することで、ハウジング１内面に密着するような大きさや形状であるとよい。

また、図８に示されるようにハウジング下部開口部１５には、一対のシールリップ１６ａ，１６ｂが対向配置され、開口部１５をエンコーダヘッドの支柱が摺動可能なように弾性変形して閉塞している。これにより、上記封止部材４と共にスケール収納部の気密性、防塵性が確保され、油や埃等が侵入しないような構造となっている。

封止部材４は、図４〜６に示すように支柱４１および支柱４２を有し、それぞれ終端ブロック２ａの止め孔孔２１１と支柱２１４と対応して、止めねじ２２１等により機械的に連結固定されるようになっている。そして、封止部材４と終端ブロック２ａにより固定用ブロック１ｂを狭持するように配置される。つまり、封止部材４と終端ブロック２ａは、固定用ブロック１ｂと、機械的に相互に連結、固定される。

封止部材４を形成する材料は、気密性、防塵性を確保する必要から、ある程度弾性を有する材料が好ましく、樹脂材料、エラストマー等の単体もしくはそれらを組み合わせた材料が適している。また、剛性面を考慮する必要はあまりないが、用途により鉄、ステンレス鋼、黄銅、等の金属および合金などを単独もしくは上記材料と共に用いてもよい。さらに、セラミックス系や炭素系材料などを上記材料と組み合わせて用いてもよい。

リニアエンコーダの他の構成については一般的なリニアエンコーダに準じたものであり、詳細な説明を省略する。本発明のリニアエンコーダは、磁気式でも、誘導式でも適用可能であるが、気密性、防塵性に優れた構造上の特徴を活用するためには光学式のエンコーダが適している。

光学式エンコーダは、例えば反射性のガラススケールの一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたメインスケールと、センサ部の表面に設けた透明ガラスの一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたインデックススケールを有し、このメインスケールとインデックススケールを微小な間隔を置いて対向させるとともに、メインスケールの格子に対し微小角度傾けられるようにインデックススケールの格子を配置している。

そして、格子が１ピッチ移動すると、モアレ縞は縞の間隔だけ変位することになり、間隔内のスリットの透過光や反射光の変化を読み取ることにより、１ピッチ内の移動量を精密に測定することができるようになる。

センサユニットは、ガラススケールと対向配置され格子（刻線）が設けられたインデックススケールと光学センサとを有するセンサ部と、ガラススケールの振れを少なく滑走させるためのガイドローラ等を有する。なお、上記構成以外でも、メインスケールの格子をモアレ縞とすることなく読み取るようにしてもよいし、光学式として知られる公知の種々の態様を選択することができる。

エンコーダヘッド３は、被測定物である工作機械等の可動部に取り付けられ、連結支柱を介してセンサユニットと接続されると共に、被測定物の変則的な動作にもある程度追従できるような自由度をもつ構造になっている。ガラススケールは、弾性部材等により、ハウジング１内部の取付溝に装着されている。

リニアエンコーダは、工作機械等の固定部１０にハウジング１の両端部にあるエンドブロック２をねじ止め等することにより取り付けられ、また対象物である工作機械の可動部３０にはエンコーダヘッド３が取り付けられる。そして、この可動部３０の移動量（変位）がガラススケールと、このスケールに沿って移動するセンサユニットのセンサ部の相対移動量として検出される。

次に本発明のエンコーダヘッドの交換方法について説明する。図９〜１１は、エンコーダヘッドの交換の手順を示した斜視図である。

先ず、図９に示すように、エンコーダヘッド３の取り付け孔５に固定されている取り付けねじ６を外して、エンコーダヘッド３を被測定物である対象物３０から取り外し、自由に移動できるようにする。

次に、図１０に示すように、エンコーダヘッド３を邪魔にならない位置に移動して、対象物３０の、エンコーダヘッド固定孔３１を有するエンコーダヘッド固定部が外部に露出し、開放されるようにする。このとき、図１１に示すようにダイヤルゲージなどの変位測定器１９によりハウジングの位置を測定できるようにしておくと、万が一ハウジング１が動いても元の状態に再現することができる。

次いで、ハウジング下部開口部１５に勘合、係止可能な係止部とエンコーダヘッド固定孔３１と同一ピッチで形成されている取り付け孔とを有するブロック状の治具を対象物３０のエンコーダヘッド固定部に取り付けてハウジング１を固定する。このとき、治具の係止部をハウジング下部開口部１５に勘合、係止させ、エンコーダヘッド固定孔３１と同一ピッチで形成されている治具の取り付け孔とを合わせて、両者をねじにより固定する。これにより、治具によりハウジング１を対象物３０に強固に固定することができ、固定ブロック２を取り外してもハウジング１が動いて位置が狂う恐れがなくなる。

治具は、本実施例ではブロック状に形成されているが、必ずしもブロック状である必要はなく、板状でも、その他の変形した形状のものでもよい。治具は、ハウジング下部開口部１５に勘合、係止でき、かつエンコーダヘッド固定部に取り付け可能なものであればよい。

さらに、前記図６〜８に示すように、終端ブロック２ａ、固定用ブロック２ｂ、封止部材４をハウジング１から取り外し、センサユニットが連結されたエンコーダヘッド３をハウジング端部から抜き取るようにして取り外す。

そして、必要なメンテナンス、修理などの処置を施した後、上記と逆の工程によりエンコーダヘッド３をハウジング１に収納し、さらに封止部材４，固定用ブロック２ｂ、終端ブロック２ａを組み付けて固定する。最後に、治具を取り外して、エンコーダヘッド３を対象物３０のエンコーダヘッド固定部に取り付けることで以前の状態が再現される。このとき、必要により取り付けた変位測定器１９を確認してハウジング１の位置が狂っていないことを確認し、万一変位が認められたときには、測定器１９の示す値から調整して、元の状態に再現する。

このように、簡単に固定ブロック２を取り外して、エンコーダヘッドを調整、修理、交換することができるので、リニアエンコーダのメンテナンスが極めて容易になる。また、リニアエンコーダが取り付けられている装置を止める時間を大幅に短縮でき、エンコーダの取り外しのために装置を移動したり分解する必要もなくなりユーザー側の負担も大幅に軽減することができる。

上記方法は、本発明のエンドブロック構造を有するリニアエンコーダに好適に用いることができるが、これに限定されるものではなく、同様にエンドブロックでエンコーダを固定する構造のものであれば適用可能である。

本発明は工作、加工機械などの位置情報取得に使用され、直線状のスケールをハウジング内に収納して読み取るタイプのリニアエンコーダであれば、インクリメンタルタイプでも、アブソリュートタイプでも、光学式、磁気式、誘導式を問わず適用することができる。

１ ハウジング
２ エンドブロック
２ａ 終端ブロック
２ｂ 固定用ブロック
３ エンコーダヘッド
４ 封止部材
５ 固定孔
１０ 固定部
１１ 固定用開口
１２ 固定具
１５ 開口部
１６ａ，ｂ シールリップ
２１ 取り付け孔
３０ 対象物（可動部）

Claims (2)

1. スケールを収納するハウジングと、
   ハウジングを対象物に固定するエンドブロックと、
   スケールを走査して位置情報を得るセンサユニットが接続されているエンコーダヘッドとを有するリニアエンコーダにおけるエンコーダヘッドの交換方法であって、
   ａ）対象物に固定されているエンコーダヘッドを対象物から取り外して移動し、
   ｂ）エンコーダヘッドが取り付けられていた対象物とハウジングとを治具により固定し、
   ｃ）エンドブロックを取り外し、
   ｄ）エンコーダヘッドをセンサユニットと共にハウジングから取り外すエンコーダヘッドの交換方法。
2. 前記治具はエンコーダヘッドの取り付け構造を利用して対象物に取り付けられる請求項１のエンコーダヘッドの交換方法。

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