JP2010274359A - 倣い機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな倣い力で高精度な倣いを実現できる倣い機構を提供する。
【解決手段】摺動保持部２と可動部３との間に、摺動保持部２と摺動部３１の磁力による吸着力と、可動部３の自重及び加圧エアによる静圧とを均衡させることにより静圧空気軸受けを形成する倣い機構１において、可動部３の倣い部３２を、摺動部３１より密度の大きな物質によって構成することにより、可動部３の回転中心Ｃと可動部３の重心Ｇを近づける構成とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、倣い対象物を倣い基準物に倣わせるための倣い機構に関するものである。

今日の自動化された装置、設備には多数の駆動部が存在し、その駆動部の位置、あるいは、速度が制御されている。エンコーダは、この駆動部の位置・速度情報を得るためのセンサの1種であり、直動型のリニア・エンコーダと回転型のロータリ・エンコーダに大別される。また、位置検出原理には、光学式と磁気式などがある。

この発明に係る倣い機構が取り扱う対象となる光学式ロータリ・エンコーダについて、その位置検出方法を中心に概説する。
光学式ロータリ・エンコーダは駆動部の回転部に接続される回転軸（中実、中空のいずれでも良い）と、その回転軸と一体で回転するパルス円板と、パルス円板を挟み込む一対の発光・受光素子、そして、この光学素子の駆動・処理回路などから構成される。ここで、パルス円板には、スリット状の穴加工や、マスキング処理、あるいは、所望の透過率が得られるような厚みや表面処理が施されている。これらの処理により発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子からの光が、パルス円板を通過して、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子へ入力されることにより回転数（位置）が符号化されることになる。具体的な構成としては、回転軸と回転円板を樹脂で一体成形したものもあるが、金属製或いは樹脂製の回転軸にガラス製の回転円板を接着固定したものが一般的である。

昨今、各種装置類が取り扱う対象物の小型化に伴い、自動化装置、設備のコンパクト化や高精度な加工・組立のための駆動位置制御の高精度化（高分解能化）が求められている。このため、位置、あるいは、速度を検出する光学式ロータリ・エンコーダに対しても小型化と高精度化の両方が求められる。

この実現には、パルス円板のスリット穴加工ピッチ・幅や、マスキング幅の縮小化、光学素子および処理回路の応答周波数の向上はもちろんのこと、組立精度の向上が必要不可欠である。各構成要素に許容される設置位置・設置姿勢の誤差の範囲が厳しく制約されるためである。
例えば、パルス円板が回転軸に対しずれた姿勢で接着固定された場合、光学素子であるＬＥＤやＰＤなどにパルス円板が接触し、破壊する可能性がある。また、これらが接触しない場合でも、発光素子のＬＥＤから、パルス円板を通過して受光素子のＰＤまで十分な光が届かず、所望の精度が得られず、回転位置センサとして利用できないこともある。

以上のように、回転軸とパルス円板組立時には、位置ばかりでなく姿勢も高精度に調整する必要があり、回転軸とパルス円板の姿勢ずれを回転位置センサの性能を維持できる範囲内に収める必要がある。すなわち、回転軸の上面にパルス円板を高精度に倣わせる必要がある。
通常この工程はパルス円板を保持する倣い機構を、回転軸に押付けることで実現されている。以後、この押付け力を倣い力と呼ぶこととする。
一般的には倣い力が大きい方が、回転軸とパルス円板との接触点での回転モーメントが大きくなるため、倣い精度は向上する。
一方、エンコーダの小型化に伴い、パルス円板の厚みはより薄く、回転軸の直径はより小さく構成されるため、構成部品の剛性は低下する。したがって、小さな倣い力で十分な倣い精度を実現する必要がある。

小型化と精度の向上の両立を目指した倣い機構として、複数の圧電アクチュエータを電気的に制御することにより能動的な倣いを実現するものや（特許文献１）、構造物の一部を低弾性体で構成し倣い動作時に弾性変形させることにより受動的な倣いを実現するもの（特許文献２）、あるいは、加圧エア供給により球面空気軸受を構成し、倣い動作時の摺動抵抗を低減し受動的に倣い動作を実現するもの（特許文献３）などが提案されている。

特開平０６−１３２３５７号公報（第１頁、図１） 特開２００６−４９４８５号公報（第１頁、図１０） 特開２００２−２９９３５３号公報（段落００２７）

特許文献１では、コンパクトな倣い機構が実現できるが、設置した圧電アクチュエータ毎の駆動回路が必要となり、高価な倣い機構となってしまう。また、圧電アクチュエータの可動範囲が非常に狭いため、倣い可能な許容角度の制約が大きい。さらに、高精度な倣い動作を実現するためには、構成部材寸法以外に、個々の圧電アクチュエータの変位に対する発生電圧との関係である電気−変位特性を高精度に把握する必要があり、初期設定、あるいは、保守に多くの時間を要してしまう。
特許文献２では、構成は非常に簡単に実現できる。弾性変形を利用するため、十分小さな倣い力での倣い動作を実現するためには、構成部材は樹脂・ゴム材となる。ここで、これらの物性は環境によって大きく経年変化するため、十分な信頼性を確保することが困難である。特にゴム材では物性バラツキが大きく、高精度な倣いを実現するためには、構成部材の物性特性を高精度に把握するとともに、物性の差異を寸法などにより吸収する必要がある。また、樹脂・ゴム材の場合には、繰返し荷重により、クリープや疲労強度などに対する経年変化特性に対しても把握する必要がある。しかし、これらの経年変化を定期的に計測することは現実的でなく、定期的な交換にて信頼性を確保する必要があり、コスト増となってしまう。
特許文献３では、球面空気軸受により受動的な倣い動作をする。構成部材を金属製としても実現可能であるため、構成部材の経年変化は十分小さく、高い信頼性が確保可能である。
しかしながらこの装置では、倣い機構の回転部の重心とその回転中心に大きな位置ずれがある。また回転部が傾くと偏荷重も発生する。
重心と回転中心が離れていると動作に大きな倣い力が必要であり、偏荷重が発生するとこれを補正するためのスプリングが必要となって装置が複雑になる。

この発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり。小さな倣い力で高い倣い精度を実現できる倣い機構を得ることを目的とする。

この発明による倣い機構は、
球面状曲面を有する摺動保持部と、
この摺動保持部の球面状曲面に相対する球面状曲面を有する可動部との間に、磁力による吸着力と、加圧エアの静圧及び可動部の自重との均衡による静圧空気軸受を形成する倣い機構において、
可動部は、球面状曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
球面状曲面の曲率中心は下面上に存在し、
倣い部を構成する物質より比重の軽い物質で摺動部を構成することによって、可動部の重心を曲率中心側に近づけることを特徴とするものである。

また、この発明による倣い機構は、
球面状曲面を有する摺動保持部と、
この摺動保持部の球面状曲面に相対する球面状曲面を有する可動部との間に、磁力による吸着力と、加圧エアの静圧及び可動部の自重との均衡による静圧空気軸受を形成する倣い機構において、
可動部は、曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
球面状曲面の曲率中心は下面上に存在し、
下面端部にカウンターウェイトを取り付けることにより、曲率中心と可動部の重心を一致させることを特徴とするものである。

この発明による倣い機構は、
可動部は、球面状曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
球面状曲面の曲率中心は下面上に存在し、
倣い部を構成する物質より比重の軽い物質で摺動部を構成することによって、可動部の重心を曲率中心側に近づけることを特徴とするものなので、
偏荷重による影響を極力減らして、小さな倣い力で精度良く倣い基準物に倣うことができる。

また、この発明による倣い機構は、
可動部は、曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
球面状曲面の曲率中心は下面上に存在し、
下面端部にカウンターウェイトを取り付けることにより、曲率中心と可動部の重心を一致させることを特徴とするものなので、
偏荷重による影響を全く受けずに小さな倣い力で精度良く倣い基準物に倣うことができる。

この発明の実施の形態１における倣い機構の機能の概略を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構の断面を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構の倣い力の作用を示す図である。 倣い機構の重心位置を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構の倣い動作の開始前の状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構が倣い基準物である回転軸に接触した瞬間を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構が倣い基準物である回転軸に倣った状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構の位置センサと圧力センサの働きを示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構で倣い対象物であるパルス円板を吸着した状態を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構による、エンコーダの回転軸とパルス円板の中心位置の計測方法を示す図である。 この発明の実施の形態１における倣い機構を使用して組み立てたロータリエンコーダを示す図である。 この発明の実施の形態２における倣い機構の断面図である。 この発明の実施の形態３における倣い機構の動作を示す図である。 この発明の実施の形態３における倣い機構の倣い動作時の回転軸と倣い部の下面との接点の関係を示す図である。 摩擦力による不完全な倣いを示す図である。 この発明の実施の形態３における倣い機構の断面図である。 エゼクタ効果による力の変化を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による係る倣い機構１を使用してロータリ・エンコーダ（以下単にエンコーダという）の回転軸（倣い基準物）端部にエンコーダのパルス円板（倣い対象物）を倣わせて、これらを精度良く組み立てる手順について図を用いて説明する。
まず、この発明の実施の形態１に係る倣い機構が実現しようとする「倣い」について説明する。
図１（ａ）に示す倣い機構１は、倣い基準物であるエンコーダの回転軸１０に倣い機構１の下面を倣わせるための装置である。回転軸１０は回転軸１０を含む図示しない筐体を把持具によって把持されているのであるが、把持部の成形精度・加工精度などにより対象ワーク毎に、毎回微妙にずれが生じる。この回転軸１０の上面１１に図示しないエンコーダのパルス円板を精度良く接着固定するためには、回転軸１０が把持固定されている状態で、毎回、回転軸１０の上面１１の向く方向を精度良く計測する必要がある。
具体的には、図１（ａ）の状態から倣い機構１を回転軸１０に押し当てて、倣い機構１の可動部３を摺動させて、その下面を回転軸１０の上面１１に倣わせ、図１（ｂ）の状態にする動作が「倣い」である。この状態で回転軸１０の上面１１の向く方向が計測される。

この実施の形態１では倣い機構１の構成と、エンコーダの回転軸１０とパルス円板７を接着するまでの工程を説明する。
なお、この「倣い」の過程で動作するのは倣い機構１側であって、回転軸１０は常に固定されているものである。
図２は本発明の実施の形態１による倣い機構１の断面を示す図である。実際にはこの倣い機構１がロボット手先などに搭載されるのであるが、説明を簡単にするためその他の部分は省略してある。

倣い機構１は、大きく２つの構成部分に分かれる。第１の構成部分は下面に球面形状を有している摺動保持部２である。
第２の構成部分は、摺動保持部２の球面形状部に対応する球面形状部を上部に有する可動部３である。可動部３は、先述の球面形状部を有する摺動部３１とその下側に接続した円筒状の倣い部３２で構成されている。
可動部３はその摺動部３１と摺動保持部２の間に形成する静圧空気軸受（後述）を介して摺動保持部２の球面形状をした下面に沿って回転、摺動し、その姿勢を変化できる。
ここでは回転、摺動というが、実際には殆ど接触しない状態で回転自在に保持できると考えて良い。次に、その構成について説明する。

可動部３の中心にはその軸方向（図２では上下方向）に通気穴が貫通している。この穴の上部は摺動保持部２の中央に開いた穴に連通していて、その先はワーク吸着ポート２４を介して図示しない加圧・吸引装置に接続されている。そして下部は倣い部３２の下面中央のワーク吸着口３４につながっている。
可動部３の中央穴は十分な太さがあるため、可動部３が姿勢を変化させても摺動保持部２との間の流路が確保されるようになっている。この穴はワークであるエンコーダのパルス円板７を真空引きして吸着するために使用するものである。

摺動保持部２には、加圧したエアを供給する加圧エア供給ポート２１を設けていて、このポートからの加圧エアは、摺動保持部２側にある球面形状部分の表面に貼り付けられた多孔質部材２２へ供給される。この多孔質部材２２によって、加圧エア供給ポート２１から供給される加圧エアの流速は低下され、準静的な加圧が球面全体に実現する。
一方、摺動保持部２には図示しない磁石を埋め込み、摺動部３１の上面近傍には磁性体を埋め込んである。加圧エア供給ポート２１に加圧エアが供給されていない時は、磁石の吸引力によって摺動保持部２と可動部３は互いに吸着している。
そして、加圧エア供給ポート２１に加圧エアが供給されると、磁石の吸引力が、可動部３の自重と多孔質部材２２から放出されるエアの圧力と釣り合って、摺動部３１と摺動保持部２の多孔質部材２２との間に僅かな空隙を有する静圧空気軸受が構成される。
ここで、静圧空気軸受はほぼ摩擦が０とみなせるため、可動部３は摺動保持部２の球面に添って、非常に小さな力で姿勢を容易に変化できる。

真空引きポート２３は可動部を確実に固定するためのポートである。
加圧エア供給ポート２１からの加圧エアの供給を停止すると、磁石の吸引力で可動部３は摺動保持部２に吸着するのであるが、真空引きポート２３から真空引きすることにより、より確実に吸着・固定することが可能となる。

可動部３が静圧空気軸受に沿って回転、摺動する回転中心Ｃは、摺動部３１の上端部の曲面の半径で決定される。図に示すように回転中心Ｃは可動部３の下面３３上に位置するように設計している。
この理由を図３を用いて説明する。
図３は倣い力の作用を示す図である。
この実施の形態の説明の最初に述べたように、「倣い」の過程で、可動部３の下面を回転軸１０に押し付けるとき、倣い機構１は略鉛直下向きに回転軸１０に押し付けられる。この倣い機構を押し付ける力を倣い力と呼ぶ。この時、可動部３には反作用として略鉛直上向きの力が加えられる。倣い力は可動部３を回転させる倣いモーメントに変化するのであるが、回転軸１０と下面３３の接触点は倣い動作の進行に伴い移動するため、摩擦力が発生する。この摩擦力により、倣いモーメントと反対の向きに反モーメントが発生し、倣い動作を妨げてしまう。この摩擦力による反モーメントは、回転軸１０と下面３３の接触点と可動部３の回転中心Ｃとを結ぶ線分が、倣い力の方向と直行する状態にある時に最小となる。つまり、回転中心Ｃが、下面３３の面上にあれば、接触点の移動に伴う反モーメントを最小にできることを意味する。このように、倣い力を効率よく回転モーメントに転換し、必要な倣い力を最小とするために回転中心Ｃの位置が下面３３上に一致するように設計している。

次に、可動部３の重心が倣いに与える影響について説明する。
例えば自転車の車輪がスムーズに回転するように、物体の重心と回転中心が一致するとき、物体に外部から回転力が加えられると、物体は重力の影響を受けずにスムーズに回転し始める。しかし、重心が回転中心から離れれば離れるほど、偏荷重による重力の影響が回転に影響を与える。
図４（ａ）のＧは、可動部３の摺動部３１と倣い部３２の材質が同じ場合の可動部３の重心位置を示している。ここでは、倣い動作時における重心位置の影響を考慮するため、初期姿勢が略水平状態にて接触後の倣い動作について述べる。
この場合、重心Ｇが回転中心Ｃから大きく離れているため、倣い動作が進むと、重心が右側に移動する。そのまま回転すると、これを止めるために大きな力が必要となる。特許文献３に記載の発明において、偏荷重防止のためにコイルスプリングを使用して両側から付勢しているのはこの理由による。

この実施の形態に係る倣い機構１では、偏荷重による影響を極力押さえるために摺動部３１と倣い部３２を構成する材質を替えている。
摺動部３１と倣い部３２の部材を密度が異なる材質で構成し、倣い部３２を摺動部３１より比重の大きな部材としている。
図４（ｂ）はこのように構成した可動部３と重心Ｇの位置関係を示している。

例えば、摺動部３１を樹脂などの非金属製、あるいは、内部に気泡や空隙を有する物質で構成し、倣い部３２を金属製としたり、摺動部３１をアルミ製、あるいは、アルミダイキャスト製とし、倣い部３２をステンレスなどの鉄製としたりする。
前者の場合には密度比を１：７以上、後者の場合には密度比を１：３以上確保することが可能となる。
また、重心Ｇを回転中心に近づけるために、摺動部３１と倣い部３２との境界をできるだけ下面３３側に近づけて、軽量の摺動部３１の領域を多く取っている。
以上により、可動部３の重心Ｇを、より回転中心Ｃに接近させて、図４（ｂ）に示す位置とすることができる。これにより偏荷重を軽減し、小さな倣い力で精度良く倣い動作を実現することが可能となる。
なお、回転中心Ｃと可動部３の重心が一致することが理想であるが、この実施の形態１の構成では一致させることはできない。一致させる構成については実施の形態２で説明する。

次に、本発明の実施の形態１による倣い機構１の倣い動作を具体的に説明する。
倣い機構１は、図２に示す摺動部３１と摺動保持部２は磁力によって吸着している。倣い動作開始前に、真空引きポート２３から真空引きを行い、摺動部３１を摺動保持部２側に確実に保持する。

図５は倣い動作の開始前の状態を示す図である。倣い機構１、および倣い基準物である回転軸１０が鉛直方向に対して姿勢ずれを発生している一般的な状況を示している。つまり、倣い機構１の姿勢ずれは、倣い機構１を取り付けた図示しないロボット手先等の姿勢が回転軸１０の中心からずれており、回転軸１０の傾きは、回転軸を固定している図示しない軸受を含む筐体が鉛直方向に対して姿勢ずれをおこしている状況を示している。
なお、回転軸１０は上方径が大きな段付き形状を示しているが、回転軸１０はこの形状に限らないことは言うまでも無い。また、ここでは回転軸１０の上面１１は回転軸１０の中心軸に対して完全に垂直面を形成しているものとする。

次に、倣い動作について図２、６、７を用いて説明する。
図示しないロボットは倣い機構１を下方に降下させ、可動部３の倣い部３２の下面３３を回転軸１０に押し当て、倣い動作を開始する。図６は倣い機構が倣い基準物である回転軸１０に接触した瞬間を示している。この時、図２に示す加圧エア供給ポート２１には加圧エアが供給されておらず、かつ、真空引きポート２３から真空引きしていることから、可動部３は摺動保持部２に確実に固着されている。
このため、倣い機構１と回転軸１０の接触時には倣い機構１は接触位置から更に下方に降下することはできない。最初に述べた通り、回転軸１０は固定されていて動かないからである。

したがって、倣い機構１が回転軸１０に接触すると倣い機構１の降下は停止すると共に倣い機構１を下方に押付ける力（倣い力）が増加する。これを図示しない位置センサ、あるいは、圧力センサなどで検出することができる。具体的な検出方法は後述する。
可動部３と回転軸１０との接触を検出すると、真空引きポート２３からの真空引きを停止するとともに、加圧エア供給ポート２１に加圧エアを供給する。これにより、摺動部３１と摺動保持部２との間に先述の静圧空気軸受が形成され、可動部３がフリー状態となる。これにより、倣い機構１は更に下降を始める。
可動部３は接触点を支点とし、Ｃを回転中心として、その下面３３が回転軸１０の上面に近づく方向に非常に小さな倣い力で回転しながら倣っていく。（図７）

倣い動作の完了は、先に述べた図示しない圧力センサや位置センサなどを利用して検知可能である。
倣い動作の開始、完了についてのセンサによる検出方法を、図８を用いて具体的に説明する。簡単に説明するため、倣い機構１を固定した平面に倣わせる状況をモデルとして説明する。
図８（ａ）は、倣い機構１の姿勢と倣い基準物である平面との関係を、状態Ａから状態Ｄとして定義する図である。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の状態Ａ〜状態Ｃのそれぞれの状態に対応する倣い部３２の下面と倣い基準物である平面で構成される直角三角形の形状を示す図である。
図８（ｃ）は、図示しない位置センサで感知した倣い機構１の押込み量（移動量）の変化を示すグラフであり、図８（ａ）の各状態における倣い機構１の上に示す上下の矢印間の間隔を縦軸に、倣い機構１の状態の変化（経過時間）を横軸としてグラフ化したものである。
図８（ｄ）は、図示しない圧力センサで感知した倣い機構１の状態Ａから状態Ｄにおける倣い力の大きさを示す図である。

まず、位置センサを使用した場合の倣い状態の検出方法を説明する。
状態Ａは接触検出時、すなわち、倣い動作開始時の状態である。
倣い機構１が平面に接触すると、可動部３は未だ固定されており、平面は動かないので位置センサによる検出位置の変化が止まる（図８ｃ左端）。これにより倣い機構が平面に接触したことを判断できる。
加圧エアの供給により可動部３がフリーとなると、更に倣い機構１が降下できる。
倣い機構１が完全に平面に倣うと位置センサが検出する押込み量の変化が止まる（同図右端）。これにより、倣いの完了を検知することができる。

次に、圧力センサを使用した場合の倣い状態の検知方法を説明する。
倣い機構１が平面に接触したことは圧力センサの倣い力の変化から検知できる。（図８ｄ左端）。接触を検知すると、それまで０であった倣い力を圧力センサが感知する。ここで、図２に示す真空引きポート２３からの真空引きを停止するとともに、加圧エア供給ポート２１に加圧エアを供給する。これにより、摺動保持部２と摺動部３１との間に静圧空気軸受が形成されて可動部３がフリーとなり倣い機構１が再度降下して倣い動作が進み、可動部３が状態Ｂ、遂には状態Ｃとなり倣いが完了する。
倣い動作が完了しても、倣い機構１は降下しようとするので平面に対する押圧力が増加する。この倣い力の増加を圧力センサで検出する。
以上のことから、接触状態、倣い完了状態を共に圧力センサで検知することが可能である。
なお、使用するセンサはいずれか一方でも良いし併用しても良い。

さて、このようにして倣い動作の完了を検知すると、加圧エア供給ポート２１からの加圧エアを徐々に減らすとともに真空引きポート２３から真空引きすることにより、倣った姿勢を保持した状態で摺動保持部２に可動部３を固定し、可動部３の下面３３が取る向きを３次元で同定する。
ここでは、下面３３上にあって直交する２本のベクトルを取得することになる。
この時同定するのは、下面３３の向きだけで良く、絶対的位置は必要ない。
その理由は、次の工程で取得するパルス円板を毎回正確な絶対位置で吸着できないので、絶対的な位置を取得しても結果的に無意味となるからである。
この点について次に説明する。

倣い機構１が設置された図示しないロボットなどを動作させ、回転軸１０から倣い機構１を一旦離す。
次に、倣い機構１を、先ほどの回転軸１０の上面１１に接着する対象物であるパルス円板の図示しない置場へ移動する。
パルス円板の上に倣い機構１を降下させ、図２に示すワーク吸着ポート２４からエアを真空引きすることにより、パルス円板を倣い部３２の下面３３に設けたワーク吸着口３４に吸引固定する。
図９は、倣い機構１にてパルス円板７を吸着した状態を示す図である。ここでは、パルス円板７を離れた位置から吸引・吸着するため、倣い機構１の中心軸と、パルス円板７との中心軸は一致しない状態で吸着している。
倣い部３２と置場に配置されているパルス円板７とは少々姿勢が異なった状態であっても真空引きによる吸引力により吸着可能である。
低弾性を有する薄い樹脂製パレットにパルス円板７を設置するなどして、この姿勢誤差をできるだけ吸収できるような構造とし、吸着を容易にすることが有効である。

次に、回転軸１０とパルス円板７を接着固定する工程を説明する。
図１０に、回転軸１０と吸着したパルス円板７の回転中心位置の計測方法を示す。図１０（ａ）は、パルス円板７の中心の計測方法を示す図である。
図１０（ｂ）は、回転軸１０の上面１１の中心位置の計測方法を示す図である。
画像センサ８（視野８１）などにより、それぞれを接着するための中心位置を検出する。
パルス円板７については、上方に向けた画像センサ８を用いてパルス円板７の接着面の中心の水平平面上での現在位置を検出する。
回転軸１０については、下方に向けた画像センサ８を用いて接着面の中心の水平平面上での現在位置を検出する。

それぞれの中心の現在位置を検出後、回転軸１０に接着剤を塗布し、使用する座標系から、先ほど計測したそれぞれの中心点を一致させるように倣い機構１を図示しないロボットで制御する。
次に、パルス円板７と回転軸１０の中心が一致するよう倣い機構を移動してパルス円板７を回転軸１０に押し付け固定する。
接着剤として例えばＵＶ硬化型の接着剤を利用すれば、押し付け状態を維持したままＵＶを照射し姿勢を保持した状態で固着できる。
図１１はこのようにして接着したロータリ・エンコーダの最終組立状態を示す図である。

これまで、回転軸１０に直接倣い機構１を倣わせる手順を説明したが、パルス円板７を先にワーク吸着口３４に吸着させた状態から倣い動作を実現することも可能である。
この場合の倣い動作手順を述べる。
まず、一般的な吸着パッドと同様に、ワーク吸着口３４からエアを真空引きした状態にてパルス円板７を接触吸着する。次に、摺動保持部２と可動部３の間に加圧エアを供給することにより静圧空気軸受を構成する。
可動部３の姿勢をフリー状態とした後、回転軸１０へ倣い機構１を押し付ける。
回転軸１０とパルス円板７との接触点回りに倣い動作が進行していき、倣いが実現できる。
真空引きポート２３から真空引きをすることにより、可動部の姿勢を固定する。下面３３の向きを計測記録して一旦、可動部３を回転軸１０から離す。
その後、回転軸１０とパルス円板７の中心位置を計測後、上記と同様接着・固定を行う。

このように実施の形態１の倣い機構１は、可動部３の回転中心Ｃと、可動部３の重心Ｇを近づけることができるので、偏荷重による影響を極力減らして、小さな倣い力で精度良く倣い動作を実現できる。

この実施の形態では摺動面が球面である場合を述べたが、１姿勢のみの倣いで良い場合は、摺動部を蒲鉾形状とし、それに対応する摺動保持部を組み合わせて可動部を構成すれば、１姿勢用としては同様の効果を奏する。
また、この実施の形態１では倣い機構１を図示しないロボットなどで動作させる場合について述べたが、倣い基準物である回転軸１０側をロボットなどで移動させても、同様の効果が得られる。

また、この実施の形態では、磁石を摺動保持部２に、磁性体を摺動部３１の上方にそれぞれ設けたが、逆の設置、つまり、磁石を摺動部３１の上方に、磁性体を摺動保持部２にそれぞれ設けてもよい。
また、この実施の形態では、回転軸１０の中心と可動部３の回転中心とが近傍に存在する場合を示しているが、接触点が存在する範囲にてこれらを離した方が小さな倣い力にて倣い動作を実現できる。これは、同じ倣い力であれば、距離が離れるほど、距離に比例して発生する倣いモーメントが大きくなる。同様に、ズレによる摩擦力による反モーメントも距離に比例して大きくなり、これらの差分が可動部３に働く倣いモーメントとなる。これより、上記差分は距離の増加に伴い大きくなるため、倣い動作に寄与するモーメントも距離の増加に伴い大きくなる。ここで、倣い動作を実現する倣いモーメントは、接触点の位置に寄らず一定であるため、距離の増加に伴い倣い力を低減することができる。
また、この実施の形態では、回転軸１０と可動部３の最初の接触を検出する仕様としたが、初期姿勢がほぼ水平状態となることから、接触前に加圧エアを供給して静圧空気軸受けを実現しても必要となる倣い力の増加は小さいため、最初の接触の検出は必ずしも必要ではない。
ただし、最初の接触を検出できれば、きめ細かな倣い機構１の下降制御ができるという利点がある。
さらに、この実施の形態では、エアーによってパルス円板７を吸引したが、回転軸１０が樹脂製でパルス円板７が磁性金属製、あるいは回転軸７と反対側に磁性金属を貼付けた構造であるような場合は、パルス円板７の吸着は磁石でおこなう構成とすれば、より簡単な倣い機構を実現できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２における倣い機構は、より小さい倣い力での倣いを実現するために、実施の形態１の倣い機構１に、可動部の重心をさらに下げて、可動部の回転中心と重心を一致させるためのカウンターウェイトを取り付けたものである。
以下、図１２を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図１２は倣い機構１０１の断面図である。この倣い機構１０１には、可動部１０３の倣い部１３２の下部に保持されて横に張り出し、下方に懸垂するフライホイル形状をしたカウンターウェイト９が取り付けられている。このカウンターウェイト９を取り付けることにより、実施の形態１では不可能であった可動部１０３の回転中心Ｃと重心Ｇ２とを完全に一致させることが可能となる。

これにより、倣い動作の全工程において可動部１０３が自身の偏荷重の影響を全く受けなくなり、実施の形態１より更に小さな倣い力で精度良く回転軸１０に可動部１０３の下面３３を倣わせることができる。
また、回転中心Ｃと重心Ｇ２を一致させることにより、可動部１０３の初期姿勢を水平に保つことができる。
図１２では、フライホイル形状（断面コ字型）のカウンターウェイト９を示しているが、重心位置の条件さえ満足できれば形状に限定はない。また、実施の形態１と異なり、摺動部１３１と倣い部１３２との材質が同じでも、カウンターウェイト９により重心位置の条件を満足できる。
また、この実施の形態では、実施の形態１と同様に、回転軸１０の中心と可動部３の回転中心とが近傍に存在する場合を示しているが、接触点が存在する範囲にてこれらを離した方が小さな倣い力にて倣い動作を実現できることは、言うまでもないことである。

実施の形態３．
次に説明する実施の形態３に係る倣い機構２０１は、より精度の高い倣いを実現するため、実施の形態１の倣い機構１に、エゼクタ効果を利用する機構を追加したものである。
まず、エゼクタ効果を利用した倣い機構の２０１の利点を図１３、１４、１５を用いて説明する。

図１３（ａ）は、実施の形態３の倣い機構２０１の倣い開始時の姿勢を示す図である。
図１３（ｂ）は、倣い機構２０１の倣い終了時の姿勢を示す図である。
図１４は、倣い動作時の回転軸と倣い部の接点の関係を示す図である。
図１４の下面ライン２３３Ｃ１は図１３（ａ）の状態にある倣い機構２０１の可動部２０３の下面２３３を真横から見たレベルを示している。
そして、下面ライン２３３Ｃ２は倣い終了時の可動部２０３の下面２３３を真横から見たレベルを示している。Ｃ１は、倣い機構２０１が回転軸１０に接触した時の倣い機構２０１の可動部２０３の回転中心の位置、そしてＣ２が倣い動作終了時の可動部２０３の回転中心の位置であり、それぞれはその時の下面２３３上にある。
Ｃ１が鉛直方向に降下して、Ｃ２の位置まで来て可動部２０３が回転軸１０に倣った時、下面２３３上の最初の接触点Ａ０は、Ａ０’の位置にきている。この移動距離は、Ａ０，Ｃ１，Ｃ２を頂点とする三角形の底辺と斜辺の長さの差である。

Ａ０がＡ０’に移動するということは、倣い開始時にＡ０からＡ０−Ａ０’間の距離と等しい距離だけ外側に離れたＡ１の点が、倣い終了時には、元のＡ０の位置にあること意味する。
したがって、倣い開始から、倣い終了までの間に回転軸１０の左上端は下面２３３のＡ０からＡ１までを摺り動いたことになる。
接触点に摩擦力が掛かっている場合、図１５に示すように、小さな倣い力では完全な倣いを実現できない場合がある。上から押し付ける倣い力の増加により、倣いの精度を向上できるが、摩擦力が存在する限りその限界が存在する。
また、小型化に伴う低い剛性の対象物の場合には、倣い力の制限が必ず存在するため、高精度な倣いを実現することが困難な場合がある。
そこで、この実施の形態３では、実施の形態１の倣い機構１に非接触でワークを吸引できるエゼクタ効果の利用を併用し、摩擦力による影響を受けない倣い機構を実現することとした。

以下、図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図１６は倣い機構２０１の断面図である。
図では、実施の形態１におけるワーク吸着口３４に相当する部分が変更されて、非接触吸引部２３４となっている。
非接触吸引部２３４は断面が下方に広がるテーパ形状をしており、このテーパ形状の開口部内で倣い部２３２の内壁に一点で支持され、下側端部に水平方向に張り出したフランジを有する円柱体を備えている。

この非接触吸引部２３４に向けて上部のワーク吸着ポート２４から加圧エアを供給すると、円柱体とテーパ形状をした側面との間に形成された狭隘部２３５を通ったエアーがフランジに当たって、漏斗状に噴射される。
そして、この噴射気流によって、エゼクタ効果による負圧が非接触吸引部２３４の真下に発生し、非接触にて対象を吸引することが可能となる。
図１７は非接触吸引部２３４の下面２３３と回転軸１０の上面との間の距離と両者の間に働く力との関係を示す模式図である。
ある平衡距離ｄｃから両者の距離が離れると吸引力が、近づくと反発力が発生する。
なお、非接触吸引部２３４は、真空引き時には、これまで説明した他の実施の形態での機能と同様に、真空パッドとして接触状態にて対象物を吸引することができる。

次に実際の倣い動作を説明する。
実施の形態１と同様に、倣い機構２０１が倣い基準物である回転軸１０に接触すると、圧力センサ等が接触を感知する。ここで、摺動保持部２と可動部２０３の間に静圧空気軸受を構成して可動部２０３をフリーとすると同時に、非接触吸引部２３４に加圧エアを供給してエゼクタ効果を発揮する。すると、接触していた下面２３３と回転軸１０上面とが非接触状態となり、摩擦がほぼ０になる。これより、接触式の倣い機構で問題であった接触点での摩擦力による必要倣い力の増加、および、倣い精度の制約が根本的に解決できる。
回転軸１０は固定されているため、エゼクタ効果により発生した圧力分布により、理想的な平衡距離からお互いが離れれば負圧による吸引力が、逆にお互いが近づきすぎれば正圧による反発力が発生する。
可動部２０３がこの吸引力と反発力の総合作用によるアシストで発生する倣いモーメントにより、小さな倣い力で回転軸１０に倣う。
なお、倣いの終了は実施の形態１で使用した位置センサを利用しその変化量の推移から判断でき、その後の処理は実施の形態１と同様である。
なお、この実施の形態では、先に可動部２０３の下面２３３を回転軸１０の上面に倣わせる手順について述べたが、パルス円板７を先に非接触吸引部２３４に吸着しておいて、これが回転軸１０に接触した時点で加圧エアを供給し、エゼクタ効果を発揮しても良い。
この場合は、パルス円板７と下面２３３の間が非接触となり、小さな倣い力で同様の倣いを実現できる。

この実施の形態によれば、実施の形態１と同様に可動部２０３の回転中心と、可動部２０３の重心をできるだけ近づける構成としているため非常に小さな倣い力で高い倣い精度が容易に実現できる。
また、実施の形態２で使用したカウンターウェイトを取り付けることで、回転中心と重心を完全に一致させ、更にスムーズな倣いを実現できる。
さらに、非接触で倣いを実現できるので小さな力で精度良く倣い機構を倣い基準物に倣わせることができる。

１，１０１，２０１ 倣い機構、２ 摺動保持部、２１ 加圧エア供給ポート、
２２ 多孔質部材、２３ 真空引きポート、２４ ワーク吸着ポート、
３，１０３，２０３ 可動部、３１，１３１，２３１ 摺動部、
３２，１３２，２３２ 倣い部、３３，１３３，２３３ 下面、３４ ワーク吸着口、
２３４ 非接触吸引部、２３５ 狭隘部、７ パルス円板、８ 画像センサ、
８１ 視野、９ カウンターウェイト、１０ 回転軸、１１ 上面、
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２ 回転中心、Ｇ 重心、２３３Ｃ１，２３３Ｃ２ 下面ライン。

Claims (5)

1. 球面状曲面を有する摺動保持部と、
   この摺動保持部の前記球面状曲面に相対する球面状曲面を有する可動部との間に、磁力による吸着力と、加圧エアの静圧及び前記可動部の自重との均衡による静圧空気軸受を形成する倣い機構において、
   前記可動部は、前記球面状曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
   前記球面状曲面の曲率中心は前記下面上に存在し、
   前記倣い部を構成する物質より比重の軽い物質で前記摺動部を構成することによって、前記可動部の重心を前記曲率中心側に近づけることを特徴とする倣い機構。
2. 球面状曲面を有する摺動保持部と、
   この摺動保持部の前記球面状曲面に相対する球面状曲面を有する可動部との間に、磁力による吸着力と、加圧エアの静圧及び前記可動部の自重との均衡による静圧空気軸受を形成する倣い機構において、
   前記可動部は、前記球面状曲面を有する摺動部と、倣い基準物に自身の下面を倣わせる倣い部を有し、
   前記球面状曲面の曲率中心は前記下面上に存在し、
   前記下面端部にカウンターウェイトを取り付けることにより、前記曲率中心と前記可動部の重心を一致させることを特徴とする倣い機構。
3. 前記カウンターウェイトはリング型であることを特徴とする請求項２に記載の倣い機構。
4. 前記倣い部は、倣い対象物を吸引する通気孔を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の倣い機構。
5. 前記通気孔は、エゼクタ効果を発揮する狭隘部を介して気体を吸排気することを特徴とする請求項４に記載の倣い機構。

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