JP2007040873A - リニアエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 取付時に生じる機械的歪みを抑制し、測定精度の変化が少なく、再現性のよいリニアスケールを提供する。
【解決手段】 ガラススケール２と、このガラススケール２を走査して位置測定値を得るスライダユニット６と、これらのガラススケール２とスライダユニット６とを収納する中空状のスケールベース１とを有し、このスケールベース１には、スケールベースを取り付ける取り付け孔と被取り付け面に当接する取り付け面２３を有し、前記取り付け孔の周囲以外の領域に被取り付け面に接しない逃げ領域２４を有する構成のリニアエンコーダとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械等の加工時における相対移動量を測定する際に好適な光学式のリニアエンコーダに関するものであり、特に固定の際に生じる歪みによる影響を極力少なくする構造を有する光学式リニアエンコーダ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。

その１つとして、光学格子を２枚重ね合わせることにより得られるモアレ縞を利用した光学式スケールが従来から知られている。この光学式スケールは、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Ｐ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。なお、このようなモアレ縞を利用した光学式スケールについては、例えば特開２００１−３１７９６７号公報（特許文献１）などに詳細な原理が記載されている。

従来のリニア エンコーダ部の構成を図８〜１０に示す。図８は従来のリニアエンコーダ１００の正面図、図９はその側面図、図１０はその背面図をそれぞれ示している。図示例のリニアエンコーダ１００は、ガラススケール２を滑走するスライダ６、工作機械等（図示せず）の可動部３１に取り付けるための固定リンク１１等から構成されている。スライダ６は、変位を読み取るセンサ部７、ガラススケール２の振れを少なく滑走させるために板バネが設けられた左右の側部ガイドローラ３、下部ガイドローラ４、下部ガイドローラ受け１５からなっており、使用する際は図９に示されているように、スライダ６をスケールベース１で覆い、その開口部は遮蔽部材９によって密封されている。

固定リンク１１は、工作機械の可動部３１等に取り付けられ、角形形状部８、アーム９、軸１０等から構成されており、軸１０により角形形状部８はスライダ６との接続に自由度をもつようになっている。

固定リンク１１側に設けられている第２のピボット軸受１４は、スライダ６に設けられている図示しない第１のピボット軸受と、これらの間にある連結ピボットを介して対向配置され、かつ引っ張りコイルバネ１６により相対向する方向に引っ張られることで、連結ピボットにより連結されている。つまり、固定リンク１１の角形形状部８は、連結ピボットを介してセンサー部７を有するスライダ６とバネの付勢力により浮遊状態に近い状態で連結され、リニアエンコーダ１００は工作機械からの振動に対し追従性をもたせることができるようになっている。

リニアエンコーダ１００は、工作機械の固定部３０及び可動部３１にそれぞれスケールベース１及び固定リンク１１が取り付けられ、工作機械の可動部３１の移動量（変位）をガラススケール２とスライダーのセンサー部７の相対移動量として検出する。

このため、リニアエンコーダ１００の取り付けは、工作機械のテーブルなどと一体で挙動する必要上、測定方向に渡り確実に固定する必要がある。その固定方法としては、図８〜１０に示すように、取り付け孔２５とネジ２６とにより、多点でケース背面の取り付け面２３ａ全体を工作機械のテーブルに付き当て固定する構造になっている。また、ガラススケール２は、スケールベース１を基準に組み込まれているため、スケールベース１の取り付け状態に倣った状態となる。

リニアエンコーダ１００を精度よく使用するためには、ケースの取り付けの際に、機械ガイドに対し、スケールベース１上面および取り付け面の通りを十分出して取り付ける必要がある。ここで、スケールベース１上面方向の通り出しには、機械ガイドに対してダイアルゲージ等で通りを確認しながら調整する。一方、取り付け面についてはテーブル側の被取り付け面の通り精度に依存するため、事前にテーブル側の被取り付け面の通り精度がよくなるように仕上げておく必要がある。

しかし、スケールベース１の取り付け面２３ａについては、取り付けボルトの締付により、締付部分のみが締め付け方向に圧縮応力を受けて歪みが発生する。このため、締付部分のみが押しつけられて凹型状に変形し、スケールベース全長方向に対して凹凸のうねりが発生する。その結果、スケールベース基準で組み込まれたガラススケールにも測長方向にうねりが発生してしまう。このうねりはエンコーダでの測定の際に精度誤差として現れる。しかも、このうねりは取り付け方法では回避することができず、以下のような精度上の問題を生じてしまう。
（１）ガラススケールのうねり部分で精度うねりが発生し、工作機械の精密な挙動測定ができず、最終加工品の加工精度が劣ってしまう。
（２）取り付けによりスケール本来の精度が再現できず、取り付け後に工作機械として精度補正を必要としてしまい、組み立て工数が余計にかかってしまう。
（３）組み付けボルト締め付け条件により、スケール精度が変化してしまい、スケールとしての精度再現性が維持されない。
特開２００１−３１７９６７号公報

本発明の目的は、上記不具合を解消し、取付時に生じる機械的歪みを抑制し、測定精度の変化が少なく、再現性のよいリニアスケールを提供することである。

すなわち上記目的は、以下の本発明の構成により達成される。
（１） ガラススケールと、このガラススケールを走査して位置測定値を得るスライダユニットと、これらのガラススケールとスライダユニットとを収納する中空状のスケールベースとを有し、
このスケールベースには、スケールベースを取り付けるための取り付け孔と被取り付け面に当接する取り付け面を有し、
前記取り付け孔の周囲以外の領域に被取り付け面に接しない逃げ領域を有するリニアエンコーダ。

本発明によれば、機械的歪みによるガラススケールのうねりを抑制し、工作機械の精密な挙動測定を可能として、最終加工品の加工精度を向上させ、取り付け時の組み付けボルトの締め付け条件による影響を排除して、組み付けによるスケール本来の精度の再現性を確保し、取り付け後の精度補正を必要とせず、取付時に生じる機械的歪みを抑制し、測定精度の変化が少なく、再現性のよいリニアスケールを提供することができる。

本発明のリニアエンコーダは、ガラススケールと、このガラススケールを走査して位置測定値を得るスライダユニットと、これらのガラススケールとスライダユニットとを収納する中空状のスケールベースとを有し、このスケールベースには、スケールベースを取り付けるための取り付け孔と被取り付け面に当接する取り付け面を有し、前記取り付け孔の周囲以外の領域に被取り付け面に接しない逃げ領域を有するものである。

このように、スケールベースの取り付け孔の周囲以外の領域に、被取り付け面に接しない逃げ領域を形成することで、リニアエンコーダ取付時の機械的歪みを抑制して、スケール本来の精度再現性を確保し、測定精度の変動の少ない、再現性のよいリニアエンコーダを提供できる。つまり、取り付け孔の周囲以外の領域に、被取り付け面に接しない逃げ領域を形成することで、取り付け部のネジを締め付けることで生じた歪みや変形を、逃げ領域が吸収、緩和して、全体としての歪みやゆがみを少なくするものと考えられる。

次に本発明のエンコーダの具体的な構成を図を参照しつつ説明する。図１は本発明のリニアエンコーダ１００の背面図、図２は平面図、図３は側面図をそれぞれ示している。

図示例のリニアエンコーダ１００は、ガラススケール２と、このガラススケール２を走査して位置測定値を得るスライダユニット６と、これらのガラススケール２とスライダユニット６とを収納する中空状のスケールベース１とを有する。

スケールベース１には、複数の取り付け孔２５が設けられていて、スケールベース１背面の取り付け面２３を工作機械のテーブル等の被取り付け面に突き当て、取り付けネジないしボルト２６により、多点で締め付けて固定する構造になっている。

スケールベース１の背面側の取り付け面２３は、取り付け孔２５の周囲の一定領域に形成され、取り付け孔２５の周囲以外の領域には、被取り付け面に当接しない逃げ領域２４が形成されている。つまり、この例では、取り付け孔２５が形成されている取り付け部２１の上下２箇所に、帯状の取り付け面が断面コ字状になるようにそれぞれ形成されている。

また、取り付け孔の周囲以外の領域、つまり、取り付け面が形成されている取り付け部２１と他の取り付け部２１の間、また必要により取り付け部２１とスケールベース１端部との間には、被取り付け面に当接しないように、少なくとも取り付け面２３よりも低く凹んだ逃げ領域が形成されている。この逃げ領域は、好ましくは取り付け部２１の最下面よりも低くなるように形成することが望ましい。

取り付け部と逃げ部の形成領域の大きさとしては、取り付け部の大きさ（長さ）が小さ（短か）すぎると取付時の応力が１箇所に集中しすぎて変形や強度の面で問題が生じてくる。一方、逃げ部の大きさ（長さ）が小さ（短か）すぎると、取り付けネジの締め付け応力による変形を緩和する機能が低下してくる。また、これら両者は密接に関わり合って変形を少なくする丁度よい比率があるが、リニアエンコーダの大きさや、形状により異なるため経験則から丁度よい大きさを決めることが望ましい。

一般的な大きさとしては、取り付け部の大きさＬが、取り付け孔２５を中心にして長手方向の長さにして１０〜４０mm程度、逃げ領域が取り付け孔の間隔で表した場合１５０〜３５０mm、特に２００〜３００mm程度の間で調整するとよい。

逃げ領域の深さｔとしては、被取り付け面である装着面に当接しない程度取り付け面より低く（凹んで）なっていればよいが、装着面の凹凸やゴミなどの影響を排除するためには、ある程度の深さが必要である。また、締め付け応力による変形の影響を緩和する上でも、ある程度の深さが必要であると考えられる。具体的には、取り付け面に対して０．０５mm以上、特に０．７５mm以上の深さであることが好ましく、その上限としては切削コストや強度等の面から２mm、特に１mm以下とすることが望ましい。

逃げ領域は、通常ミーリングやエンドミル等による切削加工により形成されるが、要求される精度を満たすものであれば、サンドブラストやヤスリ掛け、あるいはウオータージェット等他の公知の加工方法を用いてもよい。また、スケールベースを鋳造法により製造する場合には、鋳型に逃げ領域を形成しておいてもよい。なお、取り付け面についても上記と同様の手法により形成されるが、さらに高精度の面出しが必要であることから、ミーリングやエンドミル等による切削加工により形成することが好ましい。

このような逃げ領域、取り付け面が形成されるスケールベースの材質としては、特に限定されるものではないが、軽量で加工がしやすく、取り扱いが容易な点からアルミニウムが好ましい。しかしながら、軽量である程度の強度が要求される場合などには、ジュラルミンなどのアルミニウム合金や、チタン、タングステンあるいはそれらの合金を用いてもよい。また、鉄や鉄を含む合金を使用してもよく、要求される強度や使用目的などにより最適な材質を選択すればよい。スケールベースは、材質にアルミニウムを用いる場合、通常引き出し成形により製造される。

スケールベース１は、工作機械などの被測定物の被取り付け部位に取り付け孔を介して取り付けられる。取り付け、固定は、通常ネジ、ボルトあるいはこれらと同等な固定具等を用いて締め付け固定される。

リニアエンコーダ１００を精度よく使用するためには、スケールベース１の取り付けの際に、機械ガイドに対し、スケールベース１上面および取り付け面の通りを十分出して取り付けることが望ましい。スケールベース１上面方向の通り出しには、機械ガイドに対してダイアルゲージ等で通りを確認しながら調整するとよい。一方、取り付け面についてはテーブル等の被装着部位側の被取り付け面の通り精度に依存するため、事前に被装着部位側の被取り付け面の通り精度がよくなるように仕上げておくことが望ましい。

このようなスケールベースを有するリニアエンコーダは、例えば図３に示すように、ガラススケール２と、このガラススケール２を滑走して位置情報を出力するスライダ６、工作機械等（図示せず）の可動部５１に取り付けるための固定リンク１１等から構成されている。スライダ６は、変位を読み取るセンサ部７、ガラススケール２の振れを少なく滑走させるために板バネが設けられた左右の側部ガイドローラ３、下部ガイドローラ４、下部ガイドローラ受け１５からなっており、使用する際は図に示されているように、スライダ６をスケールベース１で覆い、その開口部は遮蔽部材１９によって密封されている。

固定リンク１１は、工作機械の可動部３１等に取り付けられ、角形形状部８、アーム９、軸１０から構成されており、軸１０により角形形状部８はスライダ６との接続に自由度をもつようになっている。

固定リンク１１側に設けられている第２のピボット軸受１４は、スライダ６に設けられている図示しない第１のピボット軸受と、これらの間にある連結ピボットを介して対向配置され、かつ引っ張りコイルバネ１６により相対向する方向に引っ張られることで、連結ピボットにより連結されている。つまり、固定リンク１１の角形形状部８は、連結ピボットを介してバネの付勢力により、センサー部７を有するスライダ６と浮遊状態に近い状態で連結され、エンコーダ１００は工作機械からの振動に対し追従性をもたせることができるようになっている。

このようなリニアエンコーダは、例えば工作機械の固定部３０及び可動部３１にそれぞれスケールベース２及び固定リンク１１が取り付けられ、工作機械の可動部３１の移動量（変位）をガラススケール２とスライダー６のセンサー部７の相対移動量として検出する。

次に、代表的な実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。本発明の発明サンプルとして図１，２，３に示すような構成のリニアエンコーダと、比較サンプルとして、図８，９に示すような構成のリニアエンコーダを用意した。スケールベースの長さは１０６４mmとし、スケールベースの取り付け孔の間隔：２５０mm両端部から取り付け孔までの距離：３２mm、取り付け部の長さ：取り付け孔のセンター±１５mm（但し両端部のみ取り付け孔のセンターから端部まで）とした。また、逃げ部は、前記取り付け部の間にそれぞれ、取り付け面から０．１mm深くなるように切削加工により形成した。

このスケールベースにガラススケールを、シリコーン系接着剤〔１成分型シリコーンシーラント（アルコール型）〕と、丸い棒状のＮＢＲゴムを適当な大きさに切断したものとを用い、これらを適当な位置に配置して収納、固定した。

また、比較サンプルとして、前記逃げ部を設けないサンプルを作成した。

これら発明サンプルと比較サンプルを、工作機械のテーブルに各取り付け孔に配置されたＭ６のキャップスクリューにより締め付け固定した。その際、トルクレンチを用い、各ネジの締め付けトルクが約１０Ｎ・mと均一になるように調整した。

取り付けられた比較サンプルと発明サンプルのガラススケール表面の反りをレーザー距離検出装置を用いて取り付け面からの距離として測定した。結果を図４，５にそれぞれ示す。図４，５から明らかなように、逃げ部の形成されていない図４の比較サンプルは、図５の発明サンプルに比べて、取り付け孔に対応したうねりの幅が大きいことがわかる。

また、比較サンプル、発明サンプルのそれぞれのスケールユニット精度を、レーザー比較測長装置（アジレントテクノロジー社製、レーザー光源：５５１７Ｂ、エアーセンサー：１０７５１Ｃ、物体センサー：１０７５７Ｄ）により測定した。結果を、図６，７にそれぞれ示す。

図６，７から明らかなように、図６の比較サンプルは、距離に対するズレの大きさが階段状に不規則に変化していることがわかる。これはうねりの影響を受けているものと考えられる。これに対して、図７の発明サンプルでは、略直線的に変化していることがわかる。以上の結果から、本発明の効果が明かである。

本発明は、工作機械等の加工時における相対移動量を測定するリニアエンコーダのみならず、種々の直線距離、移動量、変位量の測定が必要なリニアエンコーダに応用することが可能であり、スライダユニットも上記実施例等の構造に限定されることなく、種々の構造、方式に応用可能である。

本発明のリニアエンコーダの具体的構成を示す背面図である。 本発明のリニアエンコーダの具体的構成を示す平面図である。 本発明のリニアエンコーダの具体的構成を示す側面図である。 比較サンプルのガラススケール表面のうねりを示したグラフである。 発明サンプルのガラススケール表面のうねりを示したグラフである。 比較サンプルのスケールユニット精度を示したグラフである。 発明サンプルのスケールユニット精度を示したグラフである。 従来のリニアエンコーダの具体的構成を示す正面図である。 従来のリニアエンコーダの具体的構成を示す側面図である。 従来のリニアエンコーダの具体的構成を示す背面図である。

符号の説明

１ スケールベース
２ ガラススケール
３ 側部ガイドローラー
４ 下部ガイドローラー
５ 下部ガイドローラー受け
６ スライダ
７ センサ部
８ 角形形状部材
１１ 固定リンク
１００ リニアエンコーダ

Claims (1)

1. ガラススケールと、このガラススケールを走査して位置測定値を得るスライダユニットと、これらのガラススケールとスライダユニットとを収納する中空状のスケールベースとを有し、
   このスケールベースには、スケールベースを取り付けるための取り付け孔と被取り付け面に当接する取り付け面を有し、
   前記取り付け孔の周囲以外の領域に被取り付け面に接しない逃げ領域を有するリニアエンコーダ。

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