JP4732050B2 - 測定器 - Google Patents
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Description
この測定器は、雌ねじを有する本体と、本体の雌ねじに螺合する送りねじを有するスピンドルと、スピンドルの回転を検出する回転検出手段と、回転検出手段から出力される信号に基づいてスピンドルの変位量を求める演算処理手段と、を備える。
ステータ2は、図9(A)示されるように、ロータ1との対向面において所定の円周上に等間隔に配設された複数の電極板からなる送信電極21と、送信電極21と同心円状に配設されたリング状の受信電極22と、を備え、送信電極21の各電極板には所定のパルス変調発生器から位相が変調された交流信号が送信される。送信電極21は、16の電極板によって構成され、各電極板には45度ずつ位相が異なる交流信号が印加されている。ロータ1は、図9(B)に示されるように、ステータ2との対向面においてステータ2の送信電極21および受信電極22にまたがって対向配置されているとともに送信電極21の電極板のうち所定数の電極板と静電結合される結合電極11を備えている。
ロータ1の回転位相はスピンドルの回転位相に等しいので、スピンドルの回転位相と送りねじのピッチ(例えば0.5mm)とに基づいて演算処理手段によりスピンドルの変位が求められる。
そこで、例えば、スピンドルの一回転あたりの変位量を大きくするために、送りねじのピッチを1mmないし2mmにまで大きくして、スピンドルの一回転あたりの進退量を大きくすることが考えられる。
しかしながら、送りねじのピッチが大きくなる分、回転検出手段の検出精度および検出分解能も向上させなければならない。例えば、送りねじピッチが4倍になったのに、位相の検出分解能がそのままでは、スピンドル変位量の検出分解能は単純に4分の1になってしまうからである。
そのために、位相算出手段においてパルス信号を読み飛ばすなどの検出エラーが頻発して、ロータ1の角度変化を正確に追いかけられなくなるという問題が生じる。
さらに、信号の読み飛ばしが問題とはならないので、スピンドルの回転に対する位相信号の変化を細密化することができる。
ここで、ステータには位相信号を発信する第1トラックと第2トラックとが設けられているところ、第1トラックから第1位相信号が出力され、第2トラックから第2位相信号が出力される。第1位相信号と第2位相信号とはロータの回転に対して異なる周期変化を示し、第1位相信号と第2位相信号との位相差は、ロータの一回転以内においては異なるロータ回転角に対して異なる値であるので、この位相差に基づいてロータの回転角が一義的に決定される。
そして、ロータとスピンドルとは一体的に回転するので、ロータの回転角はすなわちスピンドルの回転角であり、このスピンドルの回転角に基づいてスピンドルの絶対位置が求められる。
また、予圧力付与手段によって係合ピンが係合部に向けて予圧されているので、係合ピンと係合部とが確実に隙間なく係合し、スピンドルの回転がロータに正確に伝達される。よって、ロータの回転角をステータにて読み取ることによりスピンドルの回転角を正確に検出することができる。例えば、スピンドルの一回転あたりの進退量が大きい場合、スピンドルの回転角を高分解能で検出しなければ、スピンドル位置の検出分解能を引き上げることができないところ、係合ピンと係合部とのわずかな隙間でも測定に与える影響は大きくなる。
この点、本発明によれば、予圧力付与手段により、係合ピンと係合部とを隙間なく係合させるので、スピンドルの回転を正確にロータに伝達させることができる。その結果、測定精度を向上させることができる。
また、係合ピン支持手段により係合ピンはロータに対して抜け止めされる。すると、スピンドルをロータから外したときでも係合ピンの位置が維持されるので、再びスピンドルをロータに対してセットするのが容易である。例えば、スピンドルをロータから外したときに係合ピンがロータから抜け落ちてしまうと、スピンドルを再びロータにセットするのに係合ピンが邪魔になったり、または、係合ピンをロータに挿し直してスピンドルの係合部に係合させなければならなくなるので、非常に手間がかかる。
この点、本発明では、係合ピンはロータに対して係合ピン支持手段により抜け止めされているので、スピンドルをロータから外しても係合ピンの位置はそのまま維持され、スピンドルをロータにセットするのが容易である。よって、スピンドルの交換等を簡便に行うことができる。
この点、本発明では、ステータの送信電極および受信電極とロータの結合電極とは、電磁カップリングにより信号の受け渡しを行うので、ステータとロータとの間のギャップ変動に影響されず、ロータの回転角を正確に検出することができる。
ここで、従来は、スピンドルの回転に応じて発信される信号をインクリメントすることによってスピンドルの回転位相を算出しており、信号を読み飛ばさないためにスピンドルの一回転あたりの信号の変化数を少なくしてインクリメントが正確に行われるようにしていた。そのため、スピンドルの回転角の分解能が制限されるという問題が生じていた。
特に、スピンドルの一回転あたりの進退ピッチを大きくした場合には、スピンドルが高速で変位するので被測定物を破損するおそれもあるが、この点、本発明では、定圧機構によってスピンドルを所定負荷以上で回転させないので、被測定物をスピンドルで破損することがない。
(第1実施形態)
本発明の測定器に係る第1実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態としてのマイクロメータ100の全体図である。
図2は、このマイクロメータ100の断面図である。
図3は、スピンドル300の送りねじ310の形状を示す図である。
図4は、位相信号発信手段400の構成を示す図である。
後部筒220は、一端側が前部筒210に連結され、他端側内周にスピンドル300と螺合される雌ねじ221を有するとともに、他端側がすり割加工222され、外側からナット223でナット止めされている。
なお、送りねじ310の寸法は特に限定されず、スピンドル300の一回転あたりの進退量であるリードをどの程度にするかによって適宜選択される。
例えば、送りねじ310のピッチPは、外径Rと谷径rとの差の3倍、5倍、10倍としてもよく、外径Rと谷径rとの差は外径Rの7分の1、10分の1としてもよい。
なお、図4においては、構成を分かりやすく示すために、ステータ410とロータ420とを実際よりも離間させて描いている。
なお、送受信制御部430の構成および送受信制御部430によるステータ410への信号制御については後述する。
この位相信号発信手段400は、いわゆる一回転ABS(アブソリュート検出)のロータリーエンコーダである。
図6は、ステータ410とロータ420との互いの対向面を示す図である。
図6(A)はステータ410の一面を示す図あり、図6(B)はロータ420の一面を示す図である。
第1および第2ステータ電極部460、470は送受信制御部430に接続されている。ロータ420においてステータ410に対向する面には、内側と外側で二重に配された電極部が設けられ、すなわち、内側には第1ステータ電極部460と電磁カップリングする第1結合電極部480が設けられ、外側には第2ステータ電極部470と電磁カップリングする第2結合電極部490が設けられている(図6(B)参照)。
第1ステータ電極部460は、リング状に配置された一本の電極線からなる第1送信電極部461と、第1送信電極部461の内側において所定ピッチで連続する菱形コイルをそれぞれ形成する3本の電極線462A〜Cで構成され全体としてリング状に配置された第1受信電極部462と、を備えている。
同様に、第2ステータ電極部470は、リング状に配置された一本の電極線からなる第2送信電極部471と、第2送信電極部471の内側において所定ピッチで連続する菱形コイルをそれぞれ形成する3本の電極線472A〜Cで構成され全体としてリング状に配置された第2受信電極部472と、を備えている。
なお、図6(A)中、配線が交差して見える部分は紙面に直交する方向に離れており絶縁が確保されている。
第1および第2受信電極部462、472の各電極線は受信制御部432に接続され、受信制御部432により所定のサンプリング周期で第1および第2受信電極部462、472の信号がサンプリングされる。
第1結合電極部480は、矩形波を描きつつ全体としてリング状に配された電極線により構成されている。第2結合電極部490も同様に矩形波を描きつつ全体としてリング状にされた電極線により構成されている。
なお、第1結合電極部480は、9周期の矩形波であり、第2結合電極部490は、10周期の矩形波である。そして、第1結合電極部480および第2結合電極部490の矩形波は、本来は、一つ一つが独立したリング状のコイルを一本の電極線によって繋げた構成に同等であり、すなわち、各矩形波が一つのコイルに等しい働きをする。
そして、第1ステータ電極部460と第1結合電極部480とが電磁カップリングされ、第2ステータ電極部470と第2結合電極部490とが電磁カップリングされているので、第1結合電極部480および第2結合電極部490には誘導電流(i2)が生じるとともにこの誘導電流(i2)による誘導磁界(B2,B3)が生じる。
演算処理部500は、ロータ420の回転角θを算出する回転角算出部510と、ロータ420の回転数をカウントして算出する回転数算出部520と、ロータ420の総回転位相を算出する総回転位相算出部530と、スピンドル300の絶対位置を算出するスピンドル位置算出部540と、を備える。
同じように、ロータ420の位相θが5°→275°に変化した場合、逆回転によって360°を通過していることになるのでロータ420が−1回転したことをカウントする。
まず、スピンドル操作部230のキャップ筒235を回転させると、キャップ筒235と一体的に第1ラチェット車242が回転する。第1ラチェット車242と第2ラチェット車243との噛合により第1ラチェット車242の回転が第2ラチェット車243に伝達され、第2ラチェット車243とともに支軸241が回転する。この支軸241とともにスピンドル300が回転し、本体200(後部筒220)の雌ねじ221とスピンドル300の送りねじ310との螺合によりスピンドル300が軸方向に進退される。スピンドル300が回転すると、スピンドル300の係合溝320に係合した係合ピン421によってロータ420がスピンドル300とともに回転する。
そして、第1受信電極部462の第1位相信号φ1と第2受信電極部472の第2位相信号φ2との位相差に基づいて回転角算出部510にてロータ420の回転角が算出される。回転角算出部510にて算出された回転角θは、回転数算出部520にて監視され、回転数算出部520にてロータ420の回転数がカウントされる。
このように算出されたスピンドル位置は、デジタル表示部600に表示される。
(1)位相信号発信手段400からの位相信号に基づいてスピンドル300の回転位相が求められるところ、スピンドル300の一回転以内において第1位相信号φ1と第2位相信号φ2との位相差Δφは異なる回転角に対して異なる値であるので、この位相差Δφからスピンドル300の回転角が一義的に決定される。
よって、従来のごとく信号をインクリメントする必要がなく、スピンドル300の高速回転による信号の読み飛ばし等が問題とはならないので、スピンドル300の回転数を制限する必要がなく、スピンドル300の高速回転を許容してマイクロメータ100の操作性を向上させることができる。
本発明の変形例1〜2について図7,図8を参照して説明する。
変形例1〜2の基本的構成は第1実施形態に同様であるが、係合ピン421の形状および予圧力付与手段440の構成に特徴を有する。
なお、予圧力付与手段440としてリング状板バネ441がロータブッシュ423の外側から嵌設されている点は第1実施形態と同様である。
変形例2の基本的構成は、第1実施形態に同様であるが、予圧力付与手段440は、一端がロータブッシュ423に固定され、かつ、他端が係合ピン421を係合溝320に向けて押圧する板バネ442により構成されている。そして、係合ピン421の基端側に設けられた小ピン422が板バネ442に掛止されていることにより係合ピン支持手段450が構成されている。
スピンドルの送りねじが1mm〜2mmのハイリードである場合を例にして説明したが、スピンドルの送りねじが多条ねじであってもよい。
位相信号発信手段は、所定のサンプリングピッチでロータの回転角を検出すればよく、回転数算出部でロータの回転数を読み飛ばさない程度でロータの回転角を検出できればよい。例えば、手動操作で可能な最高回転速度でスピンドルが一回転する間にロータの回転角を3回以上検出できればよい。
Claims (5)
- 本体と、
前記本体に螺合されているとともに回転によって軸方向進退自在に設けられたスピンドルと、
前記スピンドルの回転に応じてスピンドルの異なる回転角に対して異なる値の位相信号を発信する位相信号発信手段と、
前記位相信号を演算処理して前記スピンドルの絶対位置を求める演算処理手段と、を備え、
前記位相信号発信手段は、前記スピンドルと一体的に回転する1つのロータと、前記ロータに対向する対向面を有して前記本体に設けられ前記ロータの回転角に応じた位相信号を発信する1つのステータと、前記スピンドルに軸方向に沿って設けられた係合部と、前記ロータに対して前記スピンドルの軸方向に直交する方向に摺動自在に設けられ前記係合部に係合する係合ピンと、前記係合ピンを前記係合部に向けて予圧する予圧力付与手段と、前記係合ピンを前記ロータに対して抜け止めする係合ピン支持手段と、を備え、
前記ステータは、前記対向面上に前記ロータの回転を検出して互いに異なる信号を発信する2つの検出トラックとして第1位相信号を発信する第1トラックと第1位相信号とは異なる周期変化をする第2位相信号を発信する第2トラックとを備え、前記ロータの異なる回転角に対して前記第1位相信号と前記第2位相信号との位相差は異なり、
前記演算処理手段は、前記位相差に基づいて前記スピンドルの回転角を算出する回転角算出部と、前記回転角算出部にて算出された前記スピンドルの回転角に基づいて前記スピンドルの回転数をカウントする回転数算出部と、前記回転数算出部にてカウントされたスピンドルの回転数と前記回転角算出部にて算出されたスピンドルの回転角に基づいて前記スピンドルの総回転位相を算出する総回転位相算出部と、前記総回転位相算出部にて算出された前記スピンドルの総回転位相に基づいて前記スピンドルの絶対位置を算出するスピンドル位置算出部と、を備える、
ことを特徴とする測定器。 - 請求項1に記載の測定器において、
前記ステータは、交流信号が印加される送信電極および一単位で一周期の位相変化に対応する検出パターンを所定数有する受信電極を備え、
前記ロータは、前記送信電極および前記受信電極と電磁カップリングするとともに前記受信電極に対応する数の検出パターンを有する結合電極を備える
ことを特徴とする測定器。 - 請求項1または請求項2に記載の測定器において、
前記スピンドルは、一回転あたり1mm以上変位する
ことを特徴とする測定器。 - 請求項1に記載の測定器において、
前記予圧力付与手段は、前記ロータに掛止されるとともに前記係合ピンを前記係合部に向けて付勢する板バネにて構成されている
ことを特徴とする測定器。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の測定器において、
前記本体は、前記スピンドルの回転を手動で操作するスピンドル操作部を備え、
前記スピンドル操作部は、前記本体の外側面において回動可能に設けられたキャップ筒と、
前記キャップ筒とスピンドルとの間に設けられこのキャップ筒と前記スピンドルとの間に作用する負荷が所定値未満のときは前記キャップ筒の回動を前記スピンドルに伝達し、かつ、前記負荷が所定値以上であるときは前記キャップ筒と前記スピンドルとの間で空転する定圧機構と、を備える
ことを特徴とする測定器。
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