JP2002062124A - 測尺装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 キャリッジ３２の移動方向の一端におい
て、上記キャリッジ３２とスライダ３３とを平面軸受部
３７と円錐軸受部３９で球体４０を保持するようにした
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３３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
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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５
０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２
２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３
９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３
ｍｍ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・ｓｉ
ｎθ＝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０．４μ
ｍ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０．０
５ｍｍ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たことにより、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，２５
Ｂ 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，３５
ｃ，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、３
９Ａ 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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ることを特徴と
   する測尺装置。
2. 【請求項２】 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請求項１記載
   の測尺装置。
3. 【請求項３】 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一対の平面軸受部により支
   持されることを特徴とする請求項１記載の測尺装置。
4. 【請求項４】 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、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。