JP2009270868A - 回転軸の軸方向変位測定装置、スケール部および角度スケール部 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度を向上させることができる回転軸の軸方向変位測定装置、スケール部および角度スケール部を提供すること。
【解決手段】アキシャルスケール吸収部５２は、主軸２の外周面の円周方向に連続して凹設された断面Ｖ字形状の溝であり、アキシャルスケール反射部５３は、主軸２の外周面の円周方向に連続して延設される円筒面である。そのアキシャルスケール吸収部５２とアキシャルスケール反射部５３とは交互に配設されている。よって、主軸２が軸心Ｔを中心として回転している状態において、アキシャルスケール吸収部５２でレーザー光線Ｌ１が吸収または拡散されて、アキシャルスケール反射部５３でレーザー光線Ｌ１が反射回折される。その反射回折されたレーザー光線Ｌ１を照射部３１で測定することで主軸２の軸心Ｔ方向の変位を測定することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転軸の軸方向変位測定装置に関し、特に、回転軸の軸方向変位に対する出力特性の変動を抑えることで、回転軸の軸方向変位の測定精度を向上させることができる回転軸の軸方向変位測定装置、スケール部および角度スケール部に関するものである。

回転軸の軸方向変位を測定する測定装置として、回転軸に非接触とすることで回転軸への影響を除去して、回転軸の軸方向変位を測定する回転軸の軸方向変位測定装置が知られている。その内の１つに回転軸の静電容量を測定する静電容量型変位計がある。

例えば、特開昭５９−１５３１４３号公報には、静電容量型変位計を用いて、回転軸の軸方向の運動（軸方向の変位、アキシャルモーション）を検出（測定）する技術が記載されている（特許文献１）。
特開昭５９−１５３１４３号公報（［第２カラム］）

しかしながら、上述した従来の技術では、静電容量型変位計を用いているため、回転軸と静電容量型変位計の測定プローブとの間に介在する物質（気体、液体）の温度変化によって測定プローブが検出する静電容量が変動して、回転軸の変位に対する静電容量型変位計の出力特性が変動する。そのため、特に、長時間の計測では、回転軸が回転することにより発生する摩擦熱などの影響で回転軸と静電容量型変位計の測定プローブとの間に介在する物質（気体、液体）の温度が変動して、回転軸の変位に関係なく測定プローブが検出する静電容量が変動していた。その結果、回転軸の変位に対する静電容量の出力特性が変動し、測定精度が悪化するという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、回転軸の変位に対する出力特性の変動を抑えることで、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度を向上させることができる回転軸の軸方向変位測定装置、スケール部および角度スケール部を提供することを目的としている。

この目的を達成するために請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置は、光線を照射する照射部と、その照射部により照射された光線を反射回折すると共に回転軸に取着されるスケール部と、そのスケール部によって反射回折された光線の強さを測定するエンコーダ受光部とを備え、前記スケール部は、前記照射部より照射された光線を吸収拡散するか透過させる複数のスケール吸収部と、それら複数のスケール吸収部の間に交互に配設されると共に前記光線を反射する複数のスケール反射部とを備え、前記エンコーダ受光部は、前記光線の強さを測定するＡ相受光部と、そのＡ相受光部と同時に前記光線を測定できる範囲内に配設されその範囲内で前記スケール部の移動方向に前記Ａ相受光部と位置を違えて配設されると共に前記光線の強さを測定するＢ相受光部とを備える回転軸の軸方向変位測定装置であって、前記スケール吸収部は、環状に構成され、前記スケール反射部は、前記スケール吸収部に対して軸心を共有する環状に構成されると共に前記スケール吸収部の前記軸心方向に並んで配設されている。

請求項２記載の回転軸の軸方向変位測定装置は、請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置において、前記エンコーダ受光部を複数備え、それら複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、その他のエンコーダ受光部から前記軸心方向に位置を違えて配設されている。

請求項３記載の回転軸の軸方向変位測定装置は、請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置において、前記エンコーダ受光部を複数備え、それら複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、前記軸心を挟んでその他のエンコーダ受光部に対向する位置に配設されている。

請求項４記載の回転軸の軸方向変位測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の回転軸の軸方向変位測定装置において、前記照射部により照射された光線を反射回折すると共に回転軸に取着される角度スケール部を備え、前記角度スケール部は、略円筒状に構成され、前記照射部より照射された光線を吸収拡散するか透過させる複数の角度スケール吸収部と、前記角度スケール部の円周方向でそれら複数の角度スケール吸収部の間に交互に配設されると共に前記光線を反射する複数の角度スケール反射部とを備え、前記角度スケール反射部および角度スケール吸収部は、前記角度スケール部の外周面上であって前記軸心方向にそれぞれ平行に配設されている。

請求項５記載の回転軸は、請求項１から３のいずれかに記載のスケール部が取着されている。

請求項６記載の回転軸は、請求項４記載の角度スケール部が取着されている。

請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置によれば、照射部からスケール部に光線が照射される。スケール部のスケール吸収部に照射された光線は、スケール吸収部に吸収拡散され、スケール部のスケール反射部に照射された光線は、スケール反射部にて反射され、エンコーダ受光部にて測定される。そのため、照射部およびエンコーダ受光部の位置が固定された状態で、複数のスケール吸収部および、それら複数のスケール吸収部の間毎に交互に配設される複数のスケール反射部が、スケール吸収部とスケール反射部とを結ぶ方向に移動された場合には、スケール反射部にて反射される光線も同じ方向に同じ距離だけ移動する。

よって、複数のスケール反射部の間毎には、複数のスケール吸収部が配設されているので、エンコーダ受光部にて測定される光線の強さが変化する。その光線の強さの変化の回数を測定することで、照射部およびエンコーダ受光部に対するスケール部の変位を測定することができる。

また、Ａ相受光部およびＢ相受光部は、それぞれが同時に光線を測定できる範囲内に配設され、その範囲内でそれぞれが配設される位置がスケール部の移動方向に対して異なる。よって、スケール部がＡ相受光部からＢ相受光部へ向かう方向に移動すると、Ａ相受光部が光線を測定した後に、Ａ相受光部およびＢ相受光部が同時に光線を測定して、その後、Ｂ相受光部が光線を測定する。

一方、スケール部がＢ相受光部からＡ相受光部へ向かう方向に移動すると、Ｂ相受光部が光線を測定した後にＢ相受光部およびＡ相受光部が同時に光線を測定して、その後、Ａ相受光部が光線を測定する。

このように、スケール部の移動方向によりＡ相受光部およびＢ相受光部の光線を測定する順番が変わることを利用して、照射部およびエンコーダ受光部に対してのスケール部の移動方向を判別する。

上述したように、光線の強さの変化の回数を測定することと、Ａ相受光部およびＢ相受光部が光線を測定する順番によってスケール部の移動方向を判別することで、照射部およびエンコーダ受光部に対しての変位を測定する。

ここで、本発明によれば、スケール吸収部は、環状に構成され、スケール反射部は、スケール吸収部に対して軸心を共有する環状に構成されると共にスケール吸収部の軸心方向へ並んで配設されているので、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）を測定することができる。

即ち、スケール吸収部およびスケール反射部を回転軸に取り付け、回転軸を照射部およびエンコーダ受光部に対して回転させると、スケール反射部は、スケール吸収部に対して軸心を共有する環状に構成されると共にスケール吸収部の軸心方向に並んで配設されているので、照射部から照射された光線を回転軸が回転する間連続してエンコーダ受光部に反射する。

そのため、エンコーダ受光部にて測定される光線の強さの変化を、回転軸が回転する間連続して測定することができるので、その光線の強さの変化の回数を測定することと、スケール部の移動方向を判別することで、照射部およびエンコーダ受光部に対するスケール部の変位を測定することができる。よって、回転軸が回転する間の変位を、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）として測定することができる。

このように、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）を、スケール反射部の変位による光線の強さの変化によって測定しているので、長時間の測定においても回転軸と静電容量型変位計の測定プローブとの間に介在する物質（気体、液体）の電気的特性（誘電率）の変化に影響されることなく、回転軸の変位に対する出力特性の変動を抑えて、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）を測定することができる。よって、長時間の測定において、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度を向上させることができるという効果がある。

請求項２記載の回転軸の軸方向変位測定装置によれば、請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置の奏する効果に加え、それら複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、その他のエンコーダ受光部から軸心方向に位置を違えて配設されているので、スケール部の長さ変化が加味された測定データを得ることができる。その測定データを基に計算処理することで、測定データの精度向上を図ることができるという効果がある。

即ち、回転軸の温度が変化して回転軸の軸方向の長さが変化した場合には、回転軸に取着されるスケール部も同様に軸方向の長さが変化する。そのため、スケール部の長さ変化分だけスケール部を構成するスケール吸収部またはスケール反射部が一対のエンコーダ受光部の光線の受光領域を横切る。よって、一対のエンコーダ受光部が受光する光線の強さが変化してスケール部の長さ変化が加味された測定データを得ることができる。その測定データを基に計算処理することで、測定データの精度向上を図ることができるという効果がある。なお、回転軸の軸方向の長さの変化は、測定精度への影響度合いが大きいので、測定データの精度向上を図る上での効果が大きいのである。

請求項３記載の回転軸の軸方向変位測定装置によれば、請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置の奏する効果に加え、複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、軸心を挟んでその他のエンコーダ受光部に対向する位置に配設されているので、回転軸の外周面であって、一の外周面の一部および一の外周面に対して軸心を挟んで配設される他の外周面の一部に光線を照射することができる。

これら一の外周面の一部および他の外周面の一部は、回転軸の軸心を挟んで配設されているので、回転軸の軸心が傾くと互いに反対の向きに変位する。よって、一対のエンコーダ受光部の一方のエンコーダ受光部の測定データに、傾きによる変化分が加算された場合には、他方のエンコーダ受光部の測定データには、傾きによる変化分が減算される。また、逆に、一対のエンコーダ受光部の一方のエンコーダ受光部の測定データに、傾きによる変化分が減算された場合には、他方のエンコーダ受光部の測定データには、傾きによる変化分が加算される。

このように、一対のエンコーダ受光部の測定データには、傾きによる変化分が加算（減算）され、他方のエンコーダ受光部の測定データには、減算（加算）されるので、一方のエンコーダ受光部の測定データと他方エンコーダ受光部の測定データとの平均を取ることで、軸の傾きによる変化分を相殺した測定データを得ることができる。

その結果、軸の傾きによる測定データの変化分を回転軸の軸方向の変位から差し引いて、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度を向上させることができるという効果がある。

請求項４記載の回転軸の軸方向変位測定装置によれば、請求項１から３のいずれかに記載の回転軸の軸方向変位測定装置の奏する効果に加え、回転軸の回転角度を精度よく計測することができるという効果がある。

即ち、照射部から角度スケール吸収部に照射された光線は、角度スケール吸収部に吸収拡散され、照射部から角度スケール反射部に照射された光線は、角度スケール反射部にて反射され、エンコーダ受光部にて測定される。

そのため、照射部およびエンコーダ受光部の位置が固定された状態で、複数の角度スケール吸収部と、それら複数の角度スケール吸収部の間に交互に配設される複数の角度スケール反射部とが、角度スケール吸収部と角度スケール反射部とを結ぶ方向（角度スケール部の円周方向）に移動された場合には、角度スケール反射部にて反射された光線も同じ回転方向に同じ角度だけ移動する。

よって、複数の角度スケール反射部の間毎には、複数の角度スケール吸収部が配設されているので、エンコーダ受光部にて測定される光線の強さが角度スケール部の回転に応じて変化する。その光線の強さの変化の回数を測定することで照射部およびエンコーダ受光部に対する角度スケール部の角変位を測定することができる。

例えば、角度スケール反射部および角度スケール吸収部が軸心を中心とする放射状に延設されている場合には、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）によって、角度スケール反射部および角度スケール吸収部とエンコーダ受光部との間の距離が変化する。この場合、その距離の変化によりエンコーダ受光部で受光される光線の強さが変化して、測定の精度が悪化するという問題点が生じる。

ここで、本発明では、角度スケール反射部および角度スケール吸収部が軸心方向にそれぞれ平行に配設されているので、回転軸が軸方向に変位した場合には、角度スケール反射部および角度スケール吸収部とエンコーダ受光部との間の距離が変化することを防止することができる。よって、回転軸の軸方向の変位（アキシャルモーション）の影響を受けることなく、回転軸の回転角度を精度よく計測することができるという効果がある。

請求項５記載の回転軸によれば、請求項１から３のいずれかに記載のスケール部が取着されている回転軸と同等の効果がある。

請求項６記載の回転軸によれば、請求項４記載の回転軸の角度スケール部が取着されている回転軸と同等の効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、軸方向変位測定装置１が取り付けられた磁気軸受１００の構成について説明する。図１は、本発明の一実施の形態における磁気軸受１００の概略を示した概略図であり、図面の簡素化のために、アキシャル軸受ＡＥおよびラジアル軸受ＲＥを支持する土台を省略して図示している。なお、図１に示す矢印Ｘ，Ｙは、主軸２の径方向を示し、矢印Ｚは、主軸２の軸心Ｔ方向を示している。この磁気軸受１００は、磁力によって主軸２を浮かせた状態で軸支する軸受であり、その磁力の強さを調整することで、主軸２を支持する位置を制御する。

磁気軸受１００は、図１に示すように、主軸２と、一対のラジアル軸受ＲＥと、アキシャル軸受ＡＥと、一対の軸方向変位測定装置１と、一対の軸心振れ測定装置４とを備えている。

主軸２は、略円柱形状に構成され端部に取着される工具ホルダーにてエンドミルやドリルなどの切削工具を保持する軸であり、モータ３の回転軸と一体に構成されており、そのモータ３により駆動力が伝達されて回転する。また、主軸２は、軸心Ｔ方向両側（図１Ｚ方向両側）に一対のアキシャルスケール基体部５０を備えている。なお、アキシャルスケール基体部５０の構成については、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して後述する。

ラジアル軸受ＲＥは、主軸２のラジアル方向（図１矢印Ｘ，Ｙ方向）の位置を制御する軸受であり、ロータＲＥＲとステータＲＥＳとを備えている。ロータＲＥＲは、リング状に構成され、主軸２の外周面から張り出している強磁性体である。そのロータＲＥＲの外側には、主軸２の周方向に９０度間隔でステータＲＥＳが配設されている。なお、ステータＲＥＳは、電磁石として構成されている。そして、ステータＲＥＳに電流を流して発生する磁力を調節しロータＲＥＲの位置を制御する。

また、一対のラジアル軸受ＲＥは、図１に示すように、主軸２の両側（図１矢印Ｚ方向両側）にそれぞれ１個ずつ配設されている。よって、主軸２を安定して保持することができる。

アキシャル軸受ＡＥは、主軸２のアキシャル方向（図１矢印Ｚ方向）の位置を制御する軸受であり、ロータＡＥＲと二対のステータＡＥＳとを備えている。ロータＡＥＲは、リング状に構成され、主軸２の外周面から張り出している強磁性体である。

二対のステータＡＥＳは、軸心Ｔを挟んで両側（図１矢印Ｘ方向両側）に配設される。各一対のステータＡＥＳは、ロータＡＥＲの両側（図１矢印Ｚ方向両側）にそれぞれ配設される電磁石であり、それぞれのステータＡＥＳから発生される磁力により、ロータＡＥＲの位置を制御する。よって、主軸２のアキシャル方向（図１矢印Ｚ方向）の位置が制御される。

また、ロータＡＥＲは、後述する一対のアキシャルヘッド部６０の間の位置に配設されており、一方のアキシャルヘッド部６０から軸心Ｔ方向に距離Ｗ１、他方のアキシャルヘッド部６０から軸心Ｔ方向に距離Ｗ２の位置に配設されている。

軸方向変位測定装置１は、図１に示すように、主軸２のアキシャル方向（図１矢印Ｚ方向）の変位を測定する測定装置であり、後述するレーザー光線Ｌ１を照射するアキシャルヘッド部６０と、そのアキシャルヘッド部６０から照射されたレーザー光線Ｌ１を反射または吸収するアキシャルスケール部５１とを備えている。

また、軸方向変位測定装置１は、主軸２の両端（図１矢印Ｚ方向両端）にそれぞれ１個ずつ配設されており、主軸２の２箇所の軸方向（図１矢印Ｚ方向）の変位データを測定することができる。よって、主軸２の温度が変化して、主軸２の軸方向（図１矢印Ｚ方向）の長さが変化した場合でも、その長さ変化を検出して、その長さ変化分を取り除き主軸２の軸方向（図１矢印Ｚ方向）の変位を精度よく測定することができる。

その結果、主軸２の軸方向（図１矢印Ｚ方向）の変位の測定データを基にアキシャル軸受ＡＥを精度よく制御することができる。詳細については、図４を参照して軸方向変位測定装置１の測定について説明した後に、再度図１を参照して後述する。

軸心振れ測定装置４は、図１に示すように、主軸２のラジアル方向（図１矢印Ｘ，Ｙ方向）の変位を測定する測定装置であり、後述するレーザー光線Ｌ１を照射するラジアルヘッド部２０と、そのラジアルヘッド部２０から照射されたレーザー光線Ｌ１を反射または吸収するラジアルスケール基体部１０とを備えている。

また、軸心振れ測定装置４は、主軸２の両端にそれぞれ１個ずつ配設されており、主軸２の２箇所の径方向（図１矢印Ｘ，Ｙ方向）の変位データを測定することができるので、主軸２の振れと傾きとの両方を測定することができる。その結果、主軸２の２箇所の径方向（図１矢印Ｘ，Ｙ方向）の変位の測定データを基に一対のラジアル軸受ＲＥをそれぞれ制御して、主軸２の振れと傾きとの両方を制御することができる。

次いで、図２を参照して、軸心振れ測定装置４の構成について説明する。図２（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線における磁気軸受１００の断面図であり、軸心振れ測定装置４が図示されている。なお、理解を容易とするために、ラジアルスケール吸収部１２にハッチングを施している。また、図面を簡素化するために、ラジアルヘッド部２０が取り付けられアキシャル軸受ＡＥおよびラジアル軸受ＲＥを支持する土台の図示を省略している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における軸心振れ測定装置４の断面の概略を示した概略断面図である。なお、理解を容易とするために、寸法Ｓの尺度のみ拡大して図示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す矢印Ｘは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向を示しており、矢印Ｙは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向で矢印Ｘに直交する方向を示しており、矢印Ｚは、ラジアルスケール基体部１０が取り付けられている主軸２の軸心Ｔの方向を示している。

なお、ラジアルヘッド部２０から照射されたレーザー光線Ｌ１を実線で、ラジアルスケール基体部１０にて反射回折されたレーザー光線Ｌ２を破線で示している。また、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３は、理解を容易とするためにそれぞれ６個ずつ図示しているが、実際には、もっと細かな間隔で複数配設されている。

軸心振れ測定装置４は、アキシャル軸受ＡＥおよびラジアル軸受ＲＥを支持する土台に対する主軸２の径方向の変位を測定するものであり、その主軸２の軸心Ｔにラジアルスケール基体部１０の中心Ｃを一致させることでラジアルスケール基体部１０の中心Ｃを主軸２の軸心Ｔと見なし、ラジアルスケール基体部１０の軸心Ｔに直交する方向の変位を測定することにより、主軸２の軸心Ｔの振れを測定するものである。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、軸心振れ測定装置４は、レーザー光線Ｌ１を照射すると共に後述するレーザー光線Ｌ２を受光するラジアルヘッド部２０と、そのラジアルヘッド部２０のレーザー光線Ｌ１を照射する側（図２（ｂ）下側）に配設されるラジアルスケール基体部１０とを備えている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ラジアルスケール基体部１０は、アルミニウム素材から略円形の板状体に構成されている。そのラジアルスケール基体部１０の軸心Ｔと、主軸２の軸心Ｔとは、同一とされている。その円板の一対の円形面上の内の一方の円形面（以下、「測定面」と称す。）には、ラジアルスケール部１１が形成されている。

また、図２（ｂ）に示すように、上述したラジアルヘッド部２０は、測定面から軸心Ｔ方向で主軸２の端部側（図２（ｂ）矢印Ｚ方向上側）に寸法Ｓの距離に配設されている。なお、本実施の形態において、寸法Ｓは、約２ｍｍ〜約４ｍｍの範囲に設定され、ラジアルスケール基体部１０の直径Ｄ１（図２（ａ）参照）は、約５０ｍｍに設定されている。

図２（ｂ）に示すように、ラジアルスケール部１１は、複数のラジアルスケール吸収部１２と、複数のラジアルスケール反射部１３とを備えている。複数のラジアルスケール吸収部１２は、測定面から軸心Ｔ方向でモータ３（図１参照）側（図２（ｂ）矢印Ｚ方向下側）に向かって凹設された断面Ｖ字形状の複数の溝である。それら複数のラジアルスケール吸収部１２は、測定面上に延設されており、上面視（図２（ａ）矢印Ｚ方向視）において、ラジアルスケール基体部１０の中心Ｃを中心とするそれぞれ半径の異なる略円環状に構成されている（図２（ａ）参照）。

また、図２（ａ）に示すように、半径Ｒ１がラジアルスケール吸収部１２の最大半径で、半径Ｒ２がラジアルスケール吸収部１２の最小半径であり、その他の複数の円の半径は、約１．６×１０^−３ｍｍずつ異なる半径に構成されている。なお、本実施の形態では、半径Ｒ１が２０ｍｍであり、半径Ｒ２が１０ｍｍに設定されている。

図２（ｂ）に示すように、複数のラジアルスケール反射部１３は、複数のラジアルスケール吸収部１２の間毎に配設される複数の平坦面であり、それら複数の平坦面は、測定面上に延設されており、上面視（図２（ａ）矢印Ｚ方向視）において、ラジアルスケール基体部１０の中心Ｃを中心とするそれぞれ半径の異なる円形に構成されている（図２（ａ）参照）。また、それら同心円の半径は、１．６×１０^−３ｍｍずつ異なる半径に設定されている。

このように、ラジアルスケール吸収部１２とラジアルスケール反射部１３とが交互に配設されているので、ラジアルスケール吸収部１２でレーザー光線Ｌ１が拡散されて、ラジアルスケール反射部１３でレーザー光線Ｌ１が反射回折される。

なお、レーザー光線Ｌ１は、コヒーレント性が高く、反射回折される際に、進行方向の異なる複数の光線に分けられる。本実施の形態では、１個のレーザー光線Ｌ１がラジアルスケール反射部１３にて反射回折されることで複数の光線に分けられるが、その内の１個の光線がレーザー光線Ｌ２として測定に使用されている。

また、後述する照射回折格子部３２（図３（ａ）参照）では、回折により分かれた複数のレーザー光線Ｌ１の内の２個のレーザー光線Ｌ１を測定に使用し、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂ（図３（ａ）参照）では、回折により分かれた複数のレーザー光線Ｌ２の内の１個のレーザー光線Ｌ２が測定に使用されている（図３（ａ）参照）。

即ち、照射回折格子部３２から２個のレーザー光線Ｌ１がラジアルスケール部１１に照射され、その２個のレーザー光線Ｌ１がラジアルスケール部１１にて反射回折された後、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂに照射され、そのエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂに照射された２個のレーザー光線Ｌ２がエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂにて１個のレーザー光線Ｌ２に合成される（図３（ａ）参照）。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ラジアルヘッド部２０は、ラジアルスケール部１１の軸心Ｔ方向で、ラジアルスケール部１１の円形面に対向して配設される平面視矩形のＹ軸ヘッド部２１と、中心Ｃを回転の中心としてＹ軸ヘッド部２１を時計回り（図２（ａ）紙面垂直方向視右回り）に９０度回転させた位置に配設されるＸ軸ヘッド部２２と、中心Ｃを回転の中心としてＸ軸ヘッド部２２を時計回り（図２（ａ）紙面垂直方向視右回り）に１８０度回転させた位置に配設される補正用ヘッド部２３とを備えている。

次に、図３を参照して、Ｙ軸ヘッド部２１、Ｘ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３の詳細な構成について説明する。図３（ａ）は、図２（ｂ）のＩＩＩａで示した部分を拡大した拡大断面図である。なお、理解を容易とするために、Ｘ軸ヘッド部２２のハッチンングを省略し、照射遮断部３４及びエンコーダ遮断部４４ａ，４４ｂには、ハッチングを施している。

また、図３（ａ）に示す矢印Ｘは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向を示しており、矢印Ｙは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向で矢印Ｘに直交する方向を示しており、矢印Ｚは、ラジアルスケール部１１が取り付けられている主軸２の軸心Ｔの方向を示している。なお、図３（ａ）には、ラジアルスケール部１１、照射回折格子部３２及びエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂで回折されて分けられた複数のレーザー光線Ｌ１，Ｌ２の内、測定に使用されるレーザー光線Ｌ１，Ｌ２のみを図示している。

また、理解を容易とするために、照射回折格子部３２の１箇所の照射通過部３３を通過するレーザー光線Ｌ１を１本の線で図示している。ただし、実際、レーザー光線Ｌ１には、照射幅があるので、複数の照射通過部３３を通過してラジアルスケール部１１にて反射回折された後、複数のエンコーダ通過部４３ａ，４３ｂを通過してエンコーダ受光部４１ａ，４１ｂにて受光される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印Ｚ方向でラジアルスケール部１１側から見た照射回折格子部３２とエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂとの底面を模式的に示した底面模式図であり、照射回折格子部３２及びエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂの一部を代表的に図示している。また、図３（ｂ）に示す矢印Ｘは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向を示しており、矢印Ｙは、ラジアルスケール基体部１０の半径方向で矢印Ｘに直交する方向を示しており、矢印Ｚは、スケール１が取り付けられている主軸２の軸心Ｔの方向を示している。なお、理解を容易とするために、照射遮断部３４及びエンコーダ遮断部４４ａ，４４ｂには、ハッチングを施している。

なお、図３（ａ）に示す矢印Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚは、図２（ｂ）に示す矢印Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚにそれぞれ対応しており、図３（ｂ）に示す矢印Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚは、図２（ａ）に示す矢印Ｘ、矢印Ｙ及び矢印Ｚにそれぞれ対応しており、図３（ｂ）に示す矢印Ｚの方向は、図２（ｂ）に示す矢印Ｚに対して１８０度反転されている。また、Ｙ軸ヘッド部２１、Ｘ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３は、ラジアルスケール部１１から反射回折されるレーザー光線Ｌ２の強さを測定している。

上述したように、Ｙ軸ヘッド部２１、Ｘ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３は、ラジアルスケール基体部１０に対する取り付け位置の違いがあるのみで、その他は同一の構成であるので、Ｙ軸ヘッド部２１及び補正用ヘッド部２３の構成についての説明は省略し、Ｘ軸ヘッド部２２の構成について説明する。

図３（ａ）に示すように、Ｘ軸ヘッド部２２は、ラジアルスケール基体部１０にレーザー光線Ｌ１を照射する照射ユニット３０と、ラジアルスケール部１１によって反射回折されたレーザー光線Ｌ２の強さを測定するエンコーダ受光ユニット４０とを備えており、照射ユニット３０とエンコーダ受光ユニット４０とは、Ｘ軸ヘッド部２２の長手方向（図３矢印Ｘ方向）に並んで配設されている。

照射ユニット３０は、図３（ａ）に示すように、ラジアルスケール部１１にレーザー光線Ｌ１を照射する照射部３１と、照射部３１から照射されたレーザー光線Ｌ１を回折させる照射回折格子部３２とを備えている。

照射部３１は、レーザー光線Ｌ１を発生させる装置であり、照射回折格子部３２は、透明板に金属被膜が印刷された平板状の格子である。照射回折格子部３２は、照射部３１から発生されたレーザー光線Ｌ１の進行方向（図３（ａ）矢印Ｚ方向）に対して金属被膜が印刷された平面を垂直にして配設されている。

図３（ｂ）に示すように、照射回折格子部３２は、レーザー光線Ｌ１を通過させる矩形の透明部分である複数の照射通過部３３と、それら複数の照射通過部３３の間毎に配設されレーザー光線Ｌ１を遮断する矩形の印刷部分である複数の照射遮断部３４とを備えている。

そのため、図３（ａ）に示すように、照射部３１から照射されたレーザー光線Ｌ１は、進行方向の異なる複数のレーザー光線Ｌ１に分けられる。その複数のレーザー光線Ｌ１の内の２個（０次回折光、一対の一次回折光の内の一方）のレーザー光線Ｌ１が測定に使用されている。

また、図３（ｂ）に示すように、複数の照射通過部３３は、ピッチＰの間隔で配設されており、同様に複数の照射遮断部３４は、ピッチＰの間隔で配設されている。なお、本実施の形態において、ピッチＰは、１．６×１０^−３ｍｍに設定されている。

図３（ａ）に示すように、エンコーダ受光ユニット４０は、ラジアルスケール部１１によって反射回折されたレーザー光線Ｌ２の強さを測定するエンコーダ受光ユニット４０ａと、そのエンコーダ受光ユニット４０ａに対して照射ユニット３０とエンコーダ受光ユニット４０とを結ぶ方向（図３（ｂ）矢印Ｘ方向）に距離Ｗだけ位置をずらして配設されると共にラジアルスケール部１１によって反射回折されたレーザー光線Ｌ２の強さを測定するエンコーダ受光ユニット４０ｂとを備えている。本実施の形態では、距離Ｗは、ピッチＰの半分の寸法値に設定されている。

なお、エンコーダ受光ユニット４０ａとエンコーダ受光ユニット４０ｂとは、同一の構成であるので、エンコーダ受光ユニット４０ｂの構成についての説明は省略し、エンコーダ受光ユニット４０ａの構成について説明する。

図３（ａ）に示すように、エンコーダ受光ユニット４０ａは、エンコーダ受光部４１ａとエンコーダ回折格子部４２ａとを備えている。エンコーダ受光部４１ａは、ラジアルスケール部１１に反射されたレーザー光線Ｌ２を受光して、その光の強さをエンコーダアンプ（図示せず）に電気信号として出力するセンサであり、エンコーダ回折格子部４２ａは、透明板に金属被膜が印刷された平板状の格子である。

図３（ｂ）に示すように、エンコーダ回折格子部４２ａは、レーザー光線Ｌ２を通過させる矩形の透明部分である複数のエンコーダ通過部４３ａと、それら複数のエンコーダ通過部４３ａの間毎に配設されレーザー光線Ｌ２を遮断する矩形の印刷部分である複数のエンコーダ遮断部４４ａとを備えている。

そのため、２個（０次回折光、一対の一次回折光の内の一方）のレーザー光線Ｌ１がラジアルスケール部１１で反射され、２個のレーザー光線Ｌ２（一対の１次回折光の内の一方）としてエンコーダ回折格子部４２ａに入射される。その２個のレーザー光線Ｌ２は、エンコーダ回折格子部４２ａへの入射角が異なるが、エンコーダ回折格子部４２ａで回折されて、平行となりエンコーダ受光部４１ａにて測定される。よって、エンコーダ受光部４１ａは、入射角の異なる２個のレーザー光線Ｌ２を測定することができる。また、複数のエンコーダ通過部４３ａは、ピッチＰの間隔で配設されており、同様に、複数のエンコーダ遮断部４４ａは、ピッチＰの間隔で配設されている。

このように、軸心振れ測定装置４によれば、ラジアルスケール部１１にＸ軸ヘッド部２２の照射ユニット３０からレーザー光線Ｌ１が照射される。ラジアルスケール部１１のラジアルスケール吸収部１２に照射されたレーザー光線Ｌ１は、ラジアルスケール吸収部１２によって拡散され、ラジアルスケール部１１のラジアルスケール反射部１３に照射されたレーザー光線Ｌ１は、ラジアルスケール反射部１３にて反射されてＸ軸ヘッド部２２のエンコーダ受光ユニット４０にて測定される。

そのため、Ｘ軸ヘッド部２２の位置が固定された状態で、複数のラジアルスケール吸収部１２及びそれら複数のラジアルスケール吸収部１２の間に交互に配設されるラジアルスケール反射部１３が、ラジアルスケール吸収部１２とラジアルスケール反射部１３とを結ぶ方向（ラジアルスケール部１１の半径方向）に移動された場合には、ラジアルスケール反射部１３にて反射されるレーザー光線Ｌ２も同じ方向に同じ距離だけ移動される。

よって、エンコーダ受光ユニット４０にて測定されるレーザー光線Ｌ２の強さが変化する。そのレーザー光線Ｌ２の強さの変化の回数を測定することでＸ軸ヘッド部２２に対するラジアルスケール部１１の移動量を測定することができる。

また、エンコーダ受光ユニット４０ａ，４０ｂは、図３（ａ）に示すように、照射ユニット３０とエンコーダ受光ユニット４０とを結ぶ方向（図３（ｂ）矢印Ｘ方向）に距離Ｗだけ位置をずらして配設されている。また、同様にエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂも照射ユニット３０とエンコーダ受光ユニット４０とを結ぶ方向（図３（ｂ）矢印Ｘ方向）に距離Ｗだけ位置をずらして配設されている。

また、レーザー光線Ｌ１は、レーザー光線Ｌ１の進行方向に対して幅を持っているので、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂの両方にレーザー光線Ｌ２が照射される。そして、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂを通過してきたレーザー光線Ｌ２の強さをエンコーダ受光部４１ａ，４１ｂにて測定する。

よって、ラジアルスケール部１１がエンコーダ受光部４１ａからエンコーダ受光部４１ｂへ向かう方向（ラジアルスケール部１１の半径方向外側向き）に移動すると、レーザー光線Ｌ２の強さが変化し、例えば、エンコーダ受光部４１ａだけが強いレーザー光線Ｌ２（ラジアルスケール反射部１３によって反射されたレーザー光線Ｌ２）を測定した後に、エンコーダ受光部４１ａ，４１ｂが同時に強いレーザー光線Ｌ２を測定して、その後、エンコーダ受光部４１ｂだけが強いレーザー光線Ｌ２を測定する。

一方、ラジアルスケール部１１がエンコーダ受光部４１ｂからエンコーダ受光部４１ａへ向かう方向（ラジアルスケール部１１の半径方向内側向き）に移動すると、エンコーダ受光部４１ｂだけが強いレーザー光線Ｌ２（ラジアルスケール反射部１３によって反射されたレーザー光線Ｌ２）を測定した後に、エンコーダ受光部４１ｂ，４１ａが同時に強いレーザー光線Ｌ２を測定して、その後、エンコーダ受光部４１ａだけが強いレーザー光線Ｌ２を測定する。

このように、ラジアルスケール部１１の移動する方向によって、エンコーダ受光部４１ａ，４１ｂが強いレーザー光線Ｌ２を測定する順番が変わることを利用して、ラジアルスケール部１１の移動方向を判別する。

上述したように、エンコーダ受光部４１ａ，４１ｂが強いレーザー光線Ｌ２（ラジアルスケール反射部１３によって反射されたレーザー光線Ｌ２）を測定した回数と、強いレーザー光線Ｌ２を測定する順番によってラジアルスケール部１１の移動方向を判別することとで、照射ユニット３０及びエンコーダ受光ユニット４０に対するラジアルスケール部１１の移動量を測定する。

ここで、本実施の形態によれば、ラジアルスケール吸収部１２は、環状に構成され、ラジアルスケール反射部１３は、ラジアルスケール吸収部１２に対して同心円の環状に構成されているので、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３を主軸２に取り付け、Ｘ軸ヘッド部２２に対して主軸２を回転させると、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３は、Ｘ軸ヘッド部２２の照射ユニット３０から照射されたレーザー光線Ｌ１を、主軸２が一回転する間連続してＸ軸ヘッド部２２のエンコーダ受光ユニット４０に反射する。

そのため、Ｘ軸ヘッド部２２のエンコーダ受光ユニット４０にて測定されるレーザー光線Ｌ２の強さの変化を主軸２が一回転する間、連続して測定することができるので、強いレーザー光線Ｌ２（ラジアルスケール反射部１３によって反射されたレーザー光線Ｌ２）を測定した回数と、移動方向を判別することとで、Ｘ軸ヘッド部２２に対するラジアルスケール部１１の移動量（以下、「Ｘ軸移動量」と称す。）を測定することができる。よって、主軸２が一回転する間の移動量を、主軸２の軸心Ｔの振れとして測定することができる。

このように、主軸２の軸心Ｔの振れを、ラジアルスケール部１１の変位によるレーザー光線Ｌ２の強さの変化によって測定しているので、長時間の測定においても、主軸２の電気的特性変化に影響されることなく主軸２の軸心Ｔの振れを測定することができる。よって、長時間の測定において軸心Ｔの振れの測定精度を向上させることができる。

また、例えば、極小径切削工具（直径が０．０５ｍｍ以下である切削工具）を主軸２に取り付けて切削加工を行う場合には、主軸２の軸心Ｔの振れを、長時間連続して精度よく測定することができるので、軸心Ｔの振れが一定値を越えた値として測定された場合には、切削を中止することができる。よって、極小径切削工具によって切削加工されている加工物に対して精度が悪い加工を施すことを防止することができる。

また、例えば、ラジアルスケール部１１の中心Ｃを、主軸２の軸心Ｔを中心とする円（要求される測定精度以下の直径を有する円）の円周内領域に取り付けると、ラジアルスケール部１１の中心Ｃの位置と、主軸２の軸心Ｔの位置とを同一と見なすことができる。

よって、ラジアルスケール部１１の中心Ｃと主軸２の軸心Ｔとの取り付け位置のずれを考慮する必要がなくなり、Ｘ軸移動量をそのまま主軸２の軸心Ｔの移動量とすることができる。その結果、要求される測定精度の範囲内であれば、Ｘ軸移動量を主軸２の軸心Ｔの振れの値とすることができる。また、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３の中心Ｃと、ラジアルスケール部１１の中心Ｃとは、同一である。

また、Ｘ軸ヘッド部２２と同様に、要求される測定精度の範囲内であれば、ヘッド部２１、及び補正用ヘッド部２３に対するラジアルスケール部１１の移動量を主軸２の軸心Ｔの振れの値と見なすことができる。

また、照射回折格子部３２と、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂとを備えているので、照射回折格子部３２で分けられた２個のレーザー光線Ｌ１がラジアルスケール部１１によって反射回折され、２個のレーザー光線Ｌ２としてエンコーダ回折格子部４２ａに入射されてエンコーダ受光部４１ａに向かう方向に回折されて合成される。その合成されたレーザー光線Ｌ２は、合成により干渉して、合成前のレーザー光線Ｌ２の半分の周期で変化するため、ラジアルスケール部１１がピッチＰだけ移動するのに対して２周期変化をする。

よって、照射回折格子部３２と、エンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂとを省略した場合と比べて、ラジアルスケール部１１の移動量の分解能が半分になり、更に小さな移動でも測定することができる。

また、ラジアルスケール部１１の中心Ｃを回転の中心として、Ｘ軸ヘッド部２２を時計回り（図２（ａ）紙面垂直方向視右回り）に１８０度回転させた位置に補正用ヘッド部２３が配設されているので、Ｘ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３によってラジアルスケール部１１を測定して得られた一対の測定データの差を取ることで、温度変化や遠心力によるラジアルスケール部１１の形状変化の影響が相殺された測定データを得ることができる。

即ち、Ｘ軸ヘッド部２２と補正用ヘッド部２３とは、ラジアルスケール部１１の中心Ｃを挟んだ１８０度対向する位置に配設されており、主軸２の軸心Ｔの移動量を測定した測定データは、Ｘ軸ヘッド部２２の測定方向と補正用ヘッド部２３の測定方向と方向は異なるが移動量は同一となるので、例えば、温度変化や遠心力によりラジアルスケール部１１の半径方向への形状が拡大した場合には、ラジアルスケール部１１の中心Ｃを挟んだ１８０度対向する位置に配設されているＸ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３は、その拡大量をラジアルスケール部１１の向きの異なる移動量として測定する。

よって、Ｘ軸ヘッド部２２の測定データと補正用ヘッド部２３の測定データとの差を取ると、その測定データの差からは、半径方向への形状の拡大量が相殺されて、その測定データの差は、ラジアルスケール部１１の中心Ｃの移動量に対して２倍となるので、その測定データの差を半分にすることで、温度変化や遠心力によるラジアルスケール部１１の形状変化の影響が相殺された測定データを得ることができる。

その結果、温度変化や遠心力により、ラジアルスケール部１１の形状が半径方向へ拡大した場合でもラジアルスケール部１１の中心Ｃの測定データには影響しないので、主軸２の回転速度が変化したり主軸２の環境温度が変わったりする長時間の測定において、主軸２の軸心Ｔの振れの測定精度を向上させることができる。

なお、ラジアルスケール部１１の半径方向の形状拡大は、円周方向に均等であるので、Ｘ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３によって測定されて得られた一対の測定データの差を取っても、ラジアルスケール部１１の中心Ｃの位置の測定には影響を与えない。

また、ラジアルスケール部１１の中心Ｃを回転の中心として、Ｘ軸ヘッド部２２を時計回り（図２（ａ）紙面垂直方向視右回り）に１８０度回転させた位置に補正用ヘッド部２３が配設されているので、補正用ヘッド部２３を省略した場合と比べて、ラジアルスケール部１１のＸ軸方向への移動量を測定する測定精度を１／２倍とすることができる。

また、例えば、ラジアルスケール部１１の中心ＣがＸ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３を結ぶ方向に対して直角方向（図２（ａ）矢印Ｙ方向）にずれた場合には、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３が円形であるので、ラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３は、Ｘ軸ヘッド部２２に対しては、中心Ｃ方向（図２（ａ）左方向）に移動し、補正用ヘッド部２３に対しては、中心Ｃ方向（図２（ａ）右方向）に移動する。

このように、Ｘ軸ヘッド部２２が検出するラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３の移動方向と、補正用ヘッド部２３が検出するラジアルスケール吸収部１２及びラジアルスケール反射部１３の移動方向とが反対向きなので、Ｘ軸ヘッド部２２と補正用ヘッド部２３との測定データを平均すると、ラジアルスケール部１１の中心ＣがＸ軸ヘッド部２２及び補正用ヘッド部２３を結ぶ方向に対して直角方向（図２（ａ）矢印Ｙ方向）に移動することによる測定データへの影響を取り除くことができる。

また、Ｙ軸ヘッド部２１は、Ｘ軸ヘッド部２２からラジアルスケール部１１の円周方向にラジアルスケール部１１の中心Ｃ及び主軸２の軸心Ｔに対して直角に位置を違えて配設されているので、直交する２方向（図２（ａ）矢印Ｘ方向、矢印Ｙ方向）から主軸２の移動量を測定することで、その直交する２方向を座標軸とする座標値として主軸２の軸心Ｔの位置を定義することができる。よって、その座標位置に基づいて主軸２の軸心Ｔの軌跡をモニタや紙面上に表示させてその軌跡の形状を観察することで、主軸２の軸心Ｔの動きの良否を視覚的に判断することができる。

また、主軸２がラジアル軸受ＲＥで軸支されているので、測定された座標値を基に主軸２の軸心Ｔの位置が所定の範囲内に収まるように主軸２の軸心Ｔの位置を補正することができる。特に、本実施の形態では、主軸２の軸心Ｔの振れをラジアルスケール部１１の変位によるレーザー光線Ｌ２の強さの変化によって測定しているので、長時間の測定においても、主軸２の電気的特性変化に影響されることなく主軸２の軸心Ｔの振れを測定することができ、長時間連続して主軸２の軸心Ｔの位置を補正することができる。

また、例えば、極小径切削工具（直径が０．０５ｍｍ以下である切削工具）にて切削加工を行う場合には、切削工具が取り付けられる主軸２の軸心Ｔの位置を、長時間連続して補正することができるので、長時間連続して切削しても切削工具による切削形状精度を高精度に保つことができる。

よって、硬度が高く切削または研削が長時間におよぶ軸状の素材を旋盤にて加工する場合でも、素材が磁気軸受で軸支されていれば、素材の軸心の位置の振れを少なくできるので、素材から加工される製品の加工精度を向上させることができる。

次いで、図４を参照して、軸方向変位測定装置１の構成について説明する。図４（ａ）は、図１のＩＶａで示した部分の拡大断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線における角度スケール部５５の断面図である。なお、第１Ｚ軸ヘッド部６１、第２Ｚ軸ヘッド部６２、第１傾き補正用ヘッド部６３、第２傾き補正用ヘッド部６４及び回転角度用ヘッド部６５の構成は、上述したＸ軸ヘッド部２２と同一であるので説明を省略する。

軸方向変位測定装置１は、上述したように、アキシャル軸受ＡＥおよびラジアル軸受ＲＥを支持する土台に対する主軸２の軸心Ｔ方向の変位を測定する測定装置であり、図４（ａ）に示すように、レーザー光線Ｌ１を照射すると共にレーザー光線Ｌ２（図３（ａ）参照）を受光するアキシャルヘッド部６０と、そのアキシャルヘッド部６０のレーザー光線Ｌ１を照射する側（図４（ａ）矢印Ｘ方向内側）に配設されるアキシャルスケール部５１とを備えている。

上述したように、主軸２は、軸心Ｔ方向両側（図１Ｚ方向両側）に一対のアキシャルスケール基体部５０を備えており、そのアキシャルスケール基体部５０は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、アルミニウム素材から直径Ｄ５の略円柱状体に構成され、そのアキシャルスケール基体部５０の軸心Ｔ５と主軸２の軸心Ｔとは、同一とされている。

また、アキシャルスケール基体部５０の外周面には、アキシャルスケール部５１と角度スケール部５５とが形成（請求項１、４、５及び６に記載の「取着」に対応する。）されている。なお、本実施の形態において、アキシャルスケール基体部５０の直径Ｄ５（図４（ａ）参照）は、約１０ｍｍに設定されている。

アキシャルスケール部５１は、図４（ａ）に示すように、複数のアキシャルスケール吸収部５２と、複数のアキシャルスケール反射部５３とを備えている。アキシャルスケール吸収部５２は、アキシャルスケール基体部５０の外周面から軸心Ｔ側（図４（ａ）矢印Ｘ方向内側）に向かって凹設された断面Ｖ字形状の溝である。

そのアキシャルスケール吸収部５２は、アキシャルスケール基体部５０の外周面上を周方向に一周に渡って延設されており、側面視（図４（ａ）矢印Ｙ方向視）において、アキシャルスケール基体部５０の軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に並んで配設されている。また、アキシャルスケール吸収部５２とアキシャルスケール反射部５３とは、軸心Ｔ５に直交する仮想平面上にそれぞれ形成されている。

アキシャルスケール反射部５３は、図４（ａ）に示すように、アキシャルスケール基体部５０の外周面上に延設される円筒面であり、複数のアキシャルスケール吸収部５２の間毎に交互に配設されている。また、それら複数のアキシャルスケール反射部５３は、側面視（図４（ａ）矢印Ｙ方向視）において、アキシャルスケール基体部５０の軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に並んで配設されている。

なお、本実施の形態では、隣接するアキシャルスケール吸収部５２の間隔が約１．６×１０^−３ｍｍに構成され、隣接するアキシャルスケール反射部５３の間隔が約１．６×１０^−３ｍｍに構成されている。

このように、アキシャルスケール吸収部５２とアキシャルスケール反射部５３とが交互に配設されているので、アキシャルスケール吸収部５２でレーザー光線Ｌ１が吸収または拡散されて、アキシャルスケール反射部５３でレーザー光線Ｌ１が反射回折される。

なお、上述したようにレーザー光線Ｌ１は、コヒーレント性が高く、反射回折される際に、進行方向の異なる複数の光線に分けられる。本実施の形態では、１個のレーザー光線Ｌ１がアキシャルスケール反射部５３にて反射回折されることで複数の光線に分けられるが、その内の１個の光線がレーザー光線Ｌ２として測定に使用されている。

即ち、アキシャルスケール部５１は、レーザー光線Ｌ１を吸収または拡散する複数のアキシャルスケール吸収部５２と、レーザー光線Ｌ１を反射回折する複数のアキシャルスケール反射部５３とを備え、それらアキシャルスケール吸収部５２とアキシャルスケール反射部５３とが軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に並んで配設されているので、軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）のアキシャルスケール部５１の変位をアキシャルヘッド部６０によって測定することができる。

アキシャルヘッド部６０は、図４（ｂ）に示すように、軸心Ｔ５に直交する方向（図４（ｂ）矢印Ｘ方向）であってアキシャルスケール部５１の外周面に対向して配設される第１Ｚ軸ヘッド部６１と、軸心Ｔ５を挟んで第１Ｚ軸ヘッド部６１に対して１８０度対向する位置に配設される第１傾き補正用ヘッド部６３と、その第１傾き補正用ヘッド部６３に対して軸心Ｔ５を回転の中心として約９０度ずらした位置に配設される第２Ｚ軸ヘッド部６２と、軸心Ｔ５を挟んで第２Ｚ軸ヘッド部６２に対して１８０度対向する位置に配設される第２傾き補正用ヘッド部６４とを備えている。

例えば、アキシャルスケール吸収部５２とアキシャルスケール反射部５３とが、軸心Ｔ５に斜めに交わる仮想平面上にそれぞれ形成されている場合には、主軸２の回転によって、アキシャルヘッド部６０によって測定されるアキシャルスケール吸収部５２及びアキシャルスケール反射部５３の一部が軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に変位する。そのため、主軸２が軸心Ｔ５方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に変位していない場合でも、測定データが変動して測定精度が悪化するという不具合が生じる。

ここで、本実施の形態では、第１Ｚ軸ヘッド部６１が主軸２の矢印Ｘ方向右側（図４（ａ）矢印Ｘ方向右側）に配設され、第１傾き補正用ヘッド部６３が軸心Ｔ５を挟んで第１Ｚ軸ヘッド部６１に対して１８０度対向する位置に配設されている。よって、アキシャルスケール基体部５０の外周面であって、第１傾き補正用ヘッド部６３に対面する外周面および第１Ｚ軸ヘッド部６１に対面する外周面にレーザー光線Ｌ１が照射される。即ち、軸心Ｔ５を挟んで１８０度対向する位置にそれぞれレーザー光線Ｌ１が照射される。

なお、上述したように、主軸２は、軸心Ｔ５を中心として回転しているので、アキシャルスケール基体部５０の第１傾き補正用ヘッド部６３に対面する外周面およびアキシャルスケール基体部５０の第１Ｚ軸ヘッド部６１に対面する外周面も軸心Ｔ５を中心として回転している。

これらアキシャルスケール基体部５０の第１傾き補正用ヘッド部６３に対面する外周面およびアキシャルスケール基体部５０の第１Ｚ軸ヘッド部６１に対面する外周面は、主軸２の軸心Ｔ５を挟んで配設されているので、主軸２の軸心Ｔ５が矢印Ｘ側に傾くと互いに反対の向きに変位する。

そのため、主軸２が時計回り（図４（ａ）紙面上時計回り）方向に傾いた場合には、第１Ｚ軸ヘッド部６１の測定データには、傾きによる変化分が減算され第１傾き補正用ヘッド部６３の測定データには、傾きによる変化分が加算される。

よって、第１Ｚ軸ヘッド部６１の測定データと第１傾き補正用ヘッド部６３の測定データとの平均を取ることで、主軸２の矢印Ｘ側への傾きによる測定データの変化分を相殺した測定データを得ることができ、主軸２の軸Ｔ５方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度の向上を図ることができる。

また、同様に、第２Ｚ軸ヘッド部６２は、アキシャルスケール基体部５０側から見て、第１Ｚ軸ヘッド部６１から反時計周り（図４（ｂ）紙面方向視反時計周り）に９０度位置を違えて配設され、第２傾き補正用ヘッド部６４は、軸心Ｔ５を挟んで第２Ｚ軸ヘッド部６２に対して１８０度対向する位置に配設されている。

よって、上述した第１Ｚ軸ヘッド部６１と第１傾き補正用ヘッド部６３との関係と同じ理由で、主軸２の矢印Ｙ側への傾きによる測定データの変化分を相殺した測定データを得ることができ、主軸２の軸Ｔ５方向の変位（アキシャルモーション）の測定精度の向上を図ることができる。

その結果、主軸２のアキシャル軸受ＡＥによる軸心Ｔ５方向の制御精度の向上を図ることができるので、極小径切削工具（直径が約０．０５ｍｍ以下である切削工具）を主軸２に取り付けて超微小加工を行うことができる。

なお、アキシャルヘッド部６０を構成する第１Ｚ軸ヘッド部６１、第２Ｚ軸ヘッド部６２、第１傾き補正用ヘッド部６３、第２傾き補正用ヘッド部６４及び回転角度用ヘッド部６５は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、アキシャルスケール基体部５０の外周面から径方向（図４（ａ）矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向）に寸法Ｓ５の距離に配設されている。なお、本実施の形態において、寸法Ｓ５は、約２ｍｍ〜約４ｍｍの範囲に設定されている。

また、本実施の形態は、約１μｍの分解能を有しているが、エンコーダ受光ユニット４０のエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂの構成を変更することで、更に１／１０００の分解能（約１ｎｍ）の測定精度を確保することが可能である。なお、エンコーダ受光ユニット４０のエンコーダ回折格子部４２ａ，４２ｂの構成の変更による測定精度を向上する技術は、周知技術であるため説明を省略する。

角度スケール部５５は、図４（ａ）に示すように、複数の角度スケール吸収部５６と、それら複数の角度スケール吸収部５６の間毎に交互に配設される複数の角度スケール反射部５７とを備えている。

複数の角度スケール吸収部５６は、図４（ｂ）に示すように、軸心Ｔに向かって凹設された断面Ｖ字形状の複数の溝として構成され、それら複数の溝は、軸心Ｔ５に平行に延設されると共にアキシャルスケール基体部５０の外周面一周に渡って軸心Ｔ５を中心として１度毎に配設されている。

複数の角度スケール反射部５７は、図４（ａ）に示すように、複数の角度スケール吸収部５６の間毎に配設される部分円筒面として構成され、それら複数の角度スケール反射部５７は、アキシャルスケール基体部５０の外周面一周に渡って軸心Ｔ５を中心として１度毎に配設されている。

このように、角度スケール吸収部５６と角度スケール反射部５７とが交互に配設されているので、角度スケール吸収部５６でレーザー光線Ｌ１が拡散されて、角度スケール反射部５７でレーザー光線Ｌ１が反射回折される。

また、回転角度用ヘッド部６５の照射ユニット３０から角度スケール部５５に照射されたレーザー光線Ｌ１は、角度スケール吸収部５６によって拡散され、回転角度用ヘッド部６５の照射ユニット３０から角度スケール反射部５７に照射されたレーザー光線Ｌ１は、角度スケール反射部５７にて反射されて回転角度用ヘッド部６５のエンコーダ受光ユニット４０にて測定される。

そのため、回転角度用ヘッド部６５の位置が固定された状態で、複数の角度スケール吸収部５６と、それら複数の角度スケール吸収部５６の間毎に交互に配設される複数の角度スケール反射部５７とが、角度スケール吸収部５６と角度スケール反射部５７とを結ぶ方向（図４（ａ）矢印Ｚ方向）に移動された場合には、角度スケール反射部５７にて反射されたレーザー光線Ｌ２も同じ回転方向に同じ角度だけ移動される。

よって、回転角度用ヘッド部６５のエンコーダ受光ユニット４０にて測定される角度スケール部５５にて反射されたレーザー光線Ｌ２の強さが変化する。そのレーザー光線Ｌ２の強さの変化の回数を測定することで回転角度用ヘッド部６５に対する角度スケール部５５の移動量を測定することができる。その結果、回転角度用ヘッド部６５に対する主軸２の回転角度を測定することができる。

また、主軸２の回転角度を測定するための角度スケール部５５と、主軸２の軸心Ｔ方向の変位を測定するためのアキシャルスケール部５１とが一体として構成されているので、アキシャルスケール部５１を位置決めして固定した後に、ロータリーエンコーダを固定する必要がない。

よって、ロータリーエンコーダを固定することで主軸２に対するアキシャルスケール部５１の固定位置がずれることがないので、ロータリーエンコーダを別体とする場合に比べて、アキシャルスケール部５１の組み付け精度が向上され、主軸２の軸心Ｔの変位の測定精度を向上させることができる。

また、角度スケール部５５がアキシャルスケール部５１と一体として構成されているので、主軸２の回転角度を計測する装置を別体とする場合に比べて、アキシャルスケール部５１又は角度スケール部５５のどちらか一方の位置を決めれば、必然的に、他方の位置がきまる。よって、ロータリーエンコーダの組み付け時の位置調整の手間を省くことができる。

ここで、図１に戻って、軸方向変位測定装置１の配設位置について説明する。上述したように、磁気軸受１００は、主軸２の両側に一対の軸方向変位測定装置１を備えている。よって、主軸２が回転した状態において、主軸２の両側部分の軸心Ｔ５方向の変位を測定することができる。

例えば、主軸２の温度が室温の変化などにより変化した場合には、主軸２はその温度変化に応じて膨張または収縮する。ここで、主軸２は、直径より軸方向が長い軸状に構成されているので、主軸２の温度が変化すると径方向の形状に変化に比べて軸方向の形状変化の度合いが大きい。そのため、主軸２の端部の位置が変化し、その端部に取着されるエンドミルやドリルなどの軸方向の制御の精度が低下するという不具合が生じる。

ここで、本実施の形態では、上述したように、主軸２の両端部に一対の軸方向変位測定装置１をそれぞれ備えている。そのため、室温の変化によって主軸２の温度が変化するほどの長時間に渡って主軸２の変位を測定する場合に、一対の軸方向変位測定装置１の測定データの差（以下、「差分データ」と称す。）であって、温度変化の後に測定した差分データと温度変化の前に測定した差分データとの差を取ることで、主軸２の一部であって、温度変化前に一対の軸方向変位測定装置１の間に位置していた主軸２の部位の温度変化前後での軸心Ｔ方向の変位量（以下、「測定変位量」と称す。）とすることができる。

よって、その測定変位量を一対の軸方向変位測定装置１の互いの間隔距離（距離Ｗ１と距離Ｗ２との和）で除算することで、主軸２の単位長さ当りの変位量（以下、「単位変位量」と称す。）を算出することができる。

即ち、主軸２の温度が変化して主軸２の軸心Ｔ方向の長さが変化した場合には、主軸２に取着されるアキシャルスケール部５１も同様に軸方向の長さが変化する。そのため、アキシャルスケール部５１の長さ変化分だけ、アキシャルスケール部５１が一対の軸方向変位測定装置１のエンコーダ受光ユニット４０の受光領域を横切る。

よって、一対のエンコーダ受光ユニット４０が受光する光線の強さが変化してアキシャルスケール部５１の長さ変化が加味された一対の測定データを得ることができる。それら一対の測定データから差分データを算出し、主軸２の温度変化前後での差分データから測定変位量を算出し、その測定変位量から単位変位量を算出することができる。

例えば、測定開始時に基準位置に対してキャリブレーションを行った時点での差分データを温度変化前の差分データとし、測定中の差分データを温度変化後の差分データとすることで、基準位置に対する測定変位量を得ることができる。具体的には、主軸２の取着された工具ホルダーに保持されるエンドミルの先端をワークに接触させた位置を基準位置とする。

また、温度による主軸２の形状変化が主軸２の軸心Ｔ方向に均一であると仮定できる場合には、温度変化前の軸心Ｔ方向の長さに単位変位量を乗算することで、温度変化後の軸心Ｔ方向の長さを推定することができる。

ここで、本実施の形態では、ロータＡＥＲの軸心Ｔ方向における位置を制御するので、ロータＡＥＲに対するエンドミルの先端の変位を推定することで、その変位分を加味してロータＡＥＲを制御することができる。

即ち、本実施の形態では、ロータＡＥＲからエンドミル先端までの距離に単位変位量を乗算することで、ロータＡＥＲからエンドミル先端までの距離の変化を推定することができる。よって、その変化分だけロータＡＥＲの位置をずらすことで、基準位置に対してエンドミルの先端位置を正確に制御することができる。なお、実際の切削加工では、切削による発熱分、エンドミルが軸方向に伸びており、その分は加工誤差となる。

なお、一対の軸方向変位測定装置１の間の距離は、それぞれの軸方向変位測定装置１が備えるアキシャルヘッド部６０の受光部の位置である。また、軸方向変位測定装置１の測定データとしては、第１Ｚ軸ヘッド部６１、第２Ｚ軸ヘッド部６２、第１傾き補正用ヘッド部６３及び第２傾き補正用ヘッド部６４のどのヘッド部の測定データを利用してもよく、それら４個のヘッド部の取り付け位置が軸心Ｔ方向に同一であれば、４個のヘッド部の測定データの平均値を測定データとしてもよい。上述したように、４個の平均値を測定データとして利用する場合には、ヘッド部の測定精度のばらつきを少なくすることができるので、主軸２の端部の制御精度を向上させることができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記各実施の形態で挙げた数値（例えば、各構成の数量や寸法・角度など）は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記実施の形態では、アキシャルスケール吸収部５２が断面Ｖ字形状の溝として構成され、アキシャルスケール反射部５３が複数のアキシャルスケール吸収部５２の間毎に配設される円筒面として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、アキシャルスケール基体部５０を透明な材質により構成して、アキシャルスケール基体部５０に反射物質（金属被膜）を印刷することでアキシャルスケール反射部５３を形成し、その印刷されたアキシャルスケール反射部５３の間の透明な部分をアキシャルスケール吸収部５２としても良い。

この場合、印刷にてアキシャルスケール吸収部５２及びアキシャルスケール反射部５３をアキシャルスケール基体部５０上に形成することができる。よって、複数のアキシャルスケール基体部５０を製作するときには、アキシャルスケール基体部５０を１つずつ製作する場合に比べて、それら複数のアキシャルスケール基体部５０上に形成されるアキシャルスケール吸収部５２及びアキシャルスケール反射部５３の形状を一様に製作することができるので、アキシャルスケール吸収部５２及びアキシャルスケール反射部５３の形状のばらつきを抑えることができる。

また、上記実施の形態では、アキシャルスケール吸収部５２及び角度スケール吸収部５６が凹設された断面Ｖ字形状の溝である場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、アキシャルスケール吸収部５２及び角度スケール吸収部５６を凸設された断面Ｖ字状の凸部としても良い。この場合、上記実施の形態と同等の効果を奏することができる。また、アキシャルスケール吸収部５２または角度スケール吸収部５６のどちらか一方のみを断面Ｖ字状の凸部としても同様の効果を奏することができる。

上記実施の形態では、角度スケール吸収部５６が軸心Ｔ方向（図２（ａ）矢印Ｚ方向）に凹設された断面Ｖ字形状の溝であり、角度スケール反射部５７が複数の角度スケール吸収部５６の間毎に配設される部分円筒面である場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、アキシャルスケール部５１と同様に、印刷にて角度スケール吸収部５６及び角度スケール反射部５７をアキシャルスケール基体部５０上に形成しても良い。この場合、アキシャルスケール吸収部５２及びアキシャルスケール部５１をアキシャルスケール基体部５０上に印刷にて形成した場合と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態では、回転角度用ヘッド部６５を１個備える場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、さらに、一対の回転角度用ヘッド部６５を主軸２を挟んで１８０度対向する位置に配設しても良い。

この場合、主軸２の軸心Ｔがそれら２個の回転角度用ヘッド部６５を結ぶ方向に対して直角方向にずれると、それら２個の回転角度用ヘッド部６５の内の一方の回転角度用ヘッド部６５は、そのずれによって角度スケール部５５の角度変化が増加したように計測し、他方の回転角度用ヘッド部６５は、減少したように計測する。

そのため、それぞれの回転角度用ヘッド部６５の計測する回転角の平均を取ることで、回転角度増減を相殺することができ、主軸２の軸心Ｔの位置ずれが発生していても精度良く回転角度を計測することができる。

また、上記実施の形態では、アキシャルスケール部５１及び角度スケール部５５が主軸２のアキシャルスケール基体部５０の外周面上に形成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、アキシャルスケール部５１及び角度スケール部５５の少なくとも一方を主軸２のアキシャルスケール基体部５０と別の部材に形成しても良い。

この場合、主軸２に取着される工具ホルダーにてアキシャルスケール部５１及び角度スケール部５５の少なくとも一方が形成された部材を保持することにより、アキシャルヘッド部６０で主軸２の変位を測定することができる。そのため、主軸２のアキシャルスケール基体部５０にアキシャルスケール部５１及び角度スケール部５５の少なくとも一方が形成（加工）されていない磁気軸受であっても、その磁気軸受の回転軸（主軸）の変位を測定することができる。

その結果、既設の磁気軸受であっても、アキシャルスケール部５１及び角度スケール部５５の少なくとも一方が形成された部材を回転軸（主軸）で保持することで、回転軸の変位を測定することができる。

また、上記実施の形態では、アキシャルスケール部５１及びラジアルスケール部１１にレーザー光線Ｌ１が照射される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、発光ダイオードから照射される光線を照射しても良い。

本発明の一実施の形態における磁気軸受の概略を示した概略図である。 （ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線における磁気軸受の断面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における軸心振れ測定装置の断面の概略を示した概略断面図である。 （ａ）は、図２（ｂ）のＩＩＩａで示した部分を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の矢印Ｚ方向でラジアルスケール部側から見た照射回折格子部とエンコーダ回折格子部との底面を模式的に示した底面模式図である。 （ａ）は、図１のＩＶａで示した部分の拡大断面図であり、（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線における角度スケール部の断面図である。

符号の説明

１ 軸方向変位測定装置（軸方向変位測定装置）
２ 主軸（回転軸）
３ モータ
４ 軸心振れ測定装置
５０ アキシャルスケール基体部（回転軸の一部）
５１ アキシャルスケール部（スケール部）
５２ アキシャルスケール吸収部（スケール吸収部）
５３ アキシャルスケール反射部（スケール反射部）
５５ 角度スケール部
５６ 角度スケール吸収部
５７ 角度スケール反射部
３１ 照射部
４１ａ エンコーダ受光部（エンコーダ受光部の一部、Ａ相受光部）
４１ｂ エンコーダ受光部（エンコーダ受光部の一部、Ｂ相受光部）
Ｌ１ レーザー光線（照射された光線）
Ｌ２ レーザー光線（反射回折された光線）
Ｔ，Ｔ５ 軸心
ＡＥ アキシャル軸受
ＲＥ ラジアル軸受

Claims (6)

1. 光線を照射する照射部と、その照射部により照射された光線を反射回折すると共に回転軸に取着されるスケール部と、そのスケール部によって反射回折された光線の強さを測定するエンコーダ受光部とを備え、前記スケール部は、前記照射部より照射された光線を吸収拡散するか透過させる複数のスケール吸収部と、それら複数のスケール吸収部の間に交互に配設されると共に前記光線を反射する複数のスケール反射部とを備え、前記エンコーダ受光部は、前記光線の強さを測定するＡ相受光部と、そのＡ相受光部と同時に前記光線を測定できる範囲内に配設されその範囲内で前記スケール部の移動方向に前記Ａ相受光部と位置を違えて配設されると共に前記光線の強さを測定するＢ相受光部とを備える回転軸の軸方向変位測定装置において、
   前記スケール吸収部は、環状に構成され、
   前記スケール反射部は、前記スケール吸収部に対して軸心を共有する環状に構成されると共に前記スケール吸収部の前記軸心方向に並んで配設されていることを特徴とする回転軸の軸方向変位測定装置。
2. 前記エンコーダ受光部を複数備え、
   それら複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、その他のエンコーダ受光部から前記軸心方向に位置を違えて配設されていることを特徴とする請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置。
3. 前記エンコーダ受光部を複数備え、
   それら複数のエンコーダ受光部の内の少なくとも１つは、前記軸心を挟んでその他のエンコーダ受光部に対向する位置に配設されていることを特徴とする請求項１記載の回転軸の軸方向変位測定装置。
4. 前記照射部により照射された光線を反射回折すると共に回転軸に取着される角度スケール部を備え、
   前記角度スケール部は、略円筒状に構成され、
   前記照射部より照射された光線を吸収拡散するか透過させる複数の角度スケール吸収部と、
   前記角度スケール部の円周方向でそれら複数の角度スケール吸収部の間に交互に配設されると共に前記光線を反射する複数の角度スケール反射部とを備え、
   前記角度スケール反射部および角度スケール吸収部は、前記角度スケール部の外周面上であって前記軸心方向にそれぞれ平行に配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転軸の軸方向変位測定装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載のスケール部が取着されていることを特徴とする回転軸。
6. 請求項４記載の角度スケール部が取着されていることを特徴とする回転軸。

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