JP4445644B2

JP4445644B2 - リニアエンコーダ

Info

Publication number: JP4445644B2
Application number: JP2000139050A
Authority: JP
Inventors: 好雄渡辺; 勝広小西
Original assignee: ハイデンハイン株式会社
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JP2001317967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ヤスケールに関するものであり、特に工作機械の加工時の振動によりリニアスケールが共振することを防止する機構を設けた光学式リニヤスケールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、図７に示すように、反射性のガラススケール２２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４０と、センサー部２７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４１を有し、同図（ａ）に示すように、このメインスケール４０とインデックススケール４１を微小な間隔をとって対向させるとともに、同図（ｂ）に示すように、メインスケール４０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４１の格子を配置している。
【０００４】
なお、メインスケール４０及びインデックススケール４１に設けた格子は、ガラススケール２２、センサー部２７の表面に設けたガラスにクロムを真空蒸着し、エッチングすることにより形成された同一ピッチの格子により形成されている。
【０００５】
このように配置すると、モアレ縞が一定の間隔毎に発生する。このモアレ縞のは、一定間隔毎に暗い部分あるいは明るい部分が生じ（図示なし）、この暗い部分或いは明るい部分は、メインスケール４０に対し、インデックススケール４１が相対的に左右に移動する方向に応じて上から下、あるいは下から上に移動していく。この場合、メインスケール４０及びインデックススケール４１の格子のピッチをＰ、相互の傾斜角度をθ［ｒａｄ］、モアレ縞の間隔Ｗとすると、モアレ縞の間隔Ｗは、
Ｗ＝Ｐ／θ
と示され、モアレ縞の間隔Ｗは、光学的に格子間隔Ｐを１／θ倍に拡大した間隔とされていることになる。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Ｗだけ変位することになり、間隔Ｗ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Ｐ内の移動量を精密に測定することができるようになる。
【０００６】
従来のリニアエンコーダ部の構成を図４〜図６に示す。
図４は従来のリニアエンコーダ１００の斜視図、図５はその正面図、図６はその側面図をそれぞれ示している。リニアエンコーダ１００は、ガラススケール２２を滑走させるためのスライダ２６、工作機械等（図示なし）の可動部５１に取り付けるための固定リンク３１から構成されている。スライダ２６は、変位を読み取るセンサ部２７、ガラススケール２２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２３、下部ガイドローラ２４、下部ガイドローラ受け２５からなっており、使用する際は図６に示されているように、スライダ２６をケース２１で覆い、その開口部は遮蔽部材３９によって密封されている。
【０００７】
固定リンク３１は、工作機械の可動部５１に取り付けられ、角形形状部２８、アーム２９、軸３０から構成されており、軸３０により角形形状部２８はスライダ２６との接続に自由度をもつようになっている。
【０００８】
連結ピボット３２は、スライダ２６に設けられている第１のピボット軸受３３、固定リンク３１に設けられている第２のピボット軸受３４、連結ピボット３５、引っ張りコイルバネ、第１のピボット軸受のピボットネジ３７、第２のピボット軸受のピボットネジ３８、から構成されている。引っ張りコイルバネ３６は、軸受３３、３４を矢印Ａ、Ｂの相対する方向に引っ張っており、ピボットネジ３７、３８を介して、連結ピボット３５に負荷をかけている。
【０００９】
以上のように構成されているため、固定リンク３１の角形形状部２８から連結ピボット３５を介してセンサー部２７を有するスライダ２６が連結され、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。
【００１０】
工作機械の固定部５０及び可動部５１にそれぞれスケール本体２２及びエンコーダ１００が取り付けられ、工作機械の可動部５１の移動量（変位）をスケール本体（ガラススケール）２２とエンコーダ１００（スライダーのセンサー部２７）の相対移動量として検出する。
【００１１】
本来機械系には、それぞれ構成部品による固有振動数をもっており、外部から固有振動数と一致した振動が加えられると共振現象を起こし、加速度及び振幅の増幅が発生する。
従来のエンコーダでも固有振動数をもっており、この固有振動数が工作機械からの振動と一致した場合には共振を起こし、工作機械の挙動に対する追従性をなくし、エンコーダのみが共振してしまう。
【００１２】
図４〜図６に示したようなエンコーダ１００においても、ガラススケール２２が工作機械に装着されリニア測長センサーとして使われる場合、工作機械の重切削加工時に発生する切削振動等が、ガラススケール２２に伝達されスケールの読み取りに不具合が発生する場合がある。
【００１３】
特に、近年この重切削加工が行われるようになったため、従来ではほとんど生じなかった高い周波数の振動が生じるようになった。このため、この重切削加工時の振動によりメインスケール２２が加振され、メインスケール２２の共振現象によりセンサー部２７に異常な振れを生じ、スケールアラーム発生（応答速度過大）及び挙動追従不良（異常変位出力）等の発生により、工作機械停止及び加工物加工精度不良を発生するケースが増えてきた。
【００１４】
図８（ａ）は、従来のリニアエンコーダに振動を与えた場合の周波数毎にオシロスコープ上のリサージュ回転数の関係を示す図である。図に明らかに示されているように、振動周波数６００Ｈｚを越え、１０００Ｈｚ位までの周波数範囲でかなりの共振を起こしていることが分かり、特にピークのリサージュ回転数は３．５回にも達する。
【００１５】
一方工作機械から発生する振動周波数域は切削条件等により様々であり特定できないため、エンコーダ構成部品であるバネのバネ定数を変えても、固有振動数域が若干変化するだけであり、根本的にはこのような共振現象を回避することができない。
【００１６】
エンコーダのこのような共振現象により下記のような問題点が発生する。
１．共振によりエンコーダのみが加速度・振幅の増幅を起こし、高速で振れるため、エンコーダが変位読み取り許容速度を越えてしまい読み取りエラーを起こしてしまう。
２．エンコーダのみが共振することにより、工作機械振動との追従性がなくなり、精密な工作機械の挙動測定ができず、最終加工品の加工精度が劣る。
３．共振が発生することにより加振加速度が増幅され、エンコーダが破損する可能性がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不具合を回避するために、リニアスケールの共振を抑えるダンパ部材を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、共振を抑えるためのダンパ部材は、エンコーダの共振発生部に振動伝達ピボット、ダンパ材及び固定リンクに取り付けるための押付けバネからなる支持プレートから構成され、ダンパ材は、振動吸収性の良い材料で構成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項１の発明は、被測定位置に取り付けられている固定リンクと、前記固定リンクに対して連結ピボットを介して揺動可能に支持され、相対的に移動するスケールに当接して、移動長を検出するためのスライダを備え、前記連結ピボットは、スライダに設けられている第１のピボット軸受と固定リンクに設けられている第２のピボット軸受を有し、第１のピボット軸受と第２のピボット軸受とはこれらの間に配置された連結ピボットと各軸受を相対する方向に引っ張る引っ張りコイルバネにより連結され、この連結ピボットの第２のピボット軸受には、ダンパ材を貫通しているダンパピンが点接触して前記スライダの自己共振を抑圧したリニアエンコーダである。
【００２０】
請求項２の発明は、移動長の検出は、長尺のガラススケールの目盛りを光によって検出するようにしたことを特徴とし、請求項３の発明は、ダンパ部材は、ゴム又は合成樹脂を素材とすることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のリニアエンコーダの実施の態様の１例を図１〜図３に示す。図１は、本発明のリニアエンコーダのピボット軸受にダンパ部材を取り付けた実施の態様の例の要部の断面図を示し、図２はその正面図を、図３は、工作機械等に取り付けた場合の側面図を示している。
【００２２】
以下に、本発明の実施態様を詳細に説明するが、ダンパ部材及びその取り付けの点を除くと、前述の従来のエンコーダと同様なので、その詳細な説明は省略する。
本発明のダンパ部材１０は、ジュラコン樹脂のような合成樹脂や合成ゴムから構成されているダンパ材１１、ダンパ材１１を貫通してピボット軸受３２の第２のピボット軸受３４と点接触しているダンパピン１２、固定リンク３１の角形形状部２８を挟み込むように押付けている板バネのような弾性体からなる支持プレート１３ａ、１３ｂ、固定リンク３１との取付部１４とから構成されている。支持プレート１３は、板バネのような弾性体で形成され、図１、図２で示されている側の支持プレート１３ａが固定リンク３１と取付部１４で固定され、図４で示す右側の支持プレート１３ｂは支持プレート１３ａより若干厚みを有し、角形形状部２８を挟み込むように押付け、その端部はフリーになっている。
【００２３】
図２、図３に示すように、ダンパ部材１０は、工作機械等の可動部５１側に取付けられたエンコーダ２０の固定リンク３１に取付部１４によって取付けられている。ダンパピン１２は、第２のピボット軸受３４のピボットネジ３８の後部と点接触している。
【００２４】
以上のように、本発明のダンパ材は、エンコーダ２０に取付けられているため、可動部５１から固定プレート５１に伝わってくる加工時の振動は、直接ピボット軸受３２からスライダ２６に伝わることなく、ダンパ部材１０に伝わり、共振が発生するような周波数の振動が発生しても、ダンパ部材１０がその振動を吸収してしまうので、スライダに伝わらず、共振の発生が抑圧される。
【００２５】
図８（ｂ）に示したように、本発明のダンパ部材を取り付けたエンコーダは、図８（ａ）に示す未対応のエンコーダと比して、ピーク振動周波数が１００ヘルツほど変化し、ピーク時のリサージュ回転数も半分以下に落ちるという、効果を発揮している。
【００２６】
以上説明したように、本発明の構成は、共振を減衰させるために、従来のエンコーダに、ダンパピン、ダンパ材及び支持プレートからなるダンパ部材を取り付けた簡単な構造である。
特に、従来のエンコーダでは固定リンクの角形形状部が共振の発生源であるため、本実施の態様では、角形形状部からの振動をダンパ部材に伝達するために、振動をダンパピンによってダンパ材に伝わるようにしている。また、ダンパピン及びダンパ材は板バネからなる支持プレートにより固定リンクの局部に押し当てられることにより確実に振動伝達・減衰を可能としている。ダンパ材の素材は、エンコーダの固有振動数に対しかけ離れた固有振動数をもち減衰性に優れたものが良く、ジュラコン樹脂のような合成樹脂材料及びＮＢＲのようなゴム材料等が効果的である。
【００２７】
なお、上記で説明した本発明の実施の態様では、固定リンク側を移動部としたが、固定リンク側を固定部としても良い。
また、ダンパ部材の取付についても、本発明の実施の態様では、ケース等の構造のため、取付場所に制約のある状態での実施の態様を示したが、固定リンクに伝わる振動を減衰できる取付位置であれば、本実施例にとらわれることはない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、エンコーダの共振の主要原因部にダンパ部材を設けることにより、エンコーダの共振現象を抑え、耐振性を向上することにより次のような改善効果が得られる。
１．エンコーダ（スライダ）の共振を抑えることにより、スライダのセンサー部の異常な高速振れが抑えられ、変位読み取り許容速度オーバーによるエラー発生を防げる。
２．共振によるエンコーダのみの振幅増幅及び高速変動が抑えられ、工作機械の挙動追従性を良くすることができ、精密な変位測定が可能となり加工品の加工精度が向上する。
３．共振により発生する加速度増を抑えることができ、エンコーダ破損を防止することができる。
４．従来構造のエンコーダに対し、このような簡易ダンパ部材を設けることによりエンコーダの耐振性を向上することができる。
５．本発明の減衰構造は、リニアスケールのエンコーダのみでなく、直線変位及び角度変位測定用のエンコーダ一般に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダンパ部材の正面図。
【図２】本発明のダンパ部材をエンコーダに取り付けた状態を示す正面図。
【図３】本発明のダンパ部材をエンコーダに取り付けた状態を示す側面図。
【図４】従来のエンコーダの固定プレートとスライダの接続部の構成を示す斜視図。
【図５】従来のエンコーダの固定プレートとスライダの接続部の構成を示す正面図。
【図６】従来のエンコーダの固定プレートとスライダの接続部の構成を示す側面図。
【図７】工作機械等の加工時における相対移動量を測定する光学式のリニヤスケールの原理を示す側面図及び平面図。
【図８】エンコーダを加振した場合の振動周波数とリサージュ回転数の関係を示す図で、（ａ）は従来のエンコーダの場合を示し、（ｂ）は本発明のダンパ部材を取り付けた場合を示す。
【符号の説明】
１０：ダンパー、１１：ダンパ部材、１２：ダンパーピン、１３ａ、１３ｂ：支持プレート、１４：取付部、

Claims

被測定位置に取り付けられている固定リンクと、前記固定リンクに対して連結ピボットを介して揺動可能に支持され、相対的に移動するスケールに当接して、移動長を検出するためのスライダを備え、
前記連結ピボットは、スライダに設けられている第１のピボット軸受と固定リンクに設けられている第２のピボット軸受を有し、第１のピボット軸受と第２のピボット軸受とはこれらの間に配置された連結ピボットと各軸受を相対する方向に引っ張る引っ張りコイルバネにより連結され、
この連結ピボットの第２のピボット軸受には、ダンパ材を貫通しているダンパピンが点接触して前記スライダの自己共振を抑圧したリニアエンコーダ。
前記移動長の検出は、長尺のガラススケールの目盛りを光によって検出する請求項１のリニアエンコーダ。
前記ダンパー部材は、ゴム又は合成樹脂を素材とする請求項１のリニアエンコーダ。