JP5053039B2

JP5053039B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP5053039B2
Application number: JP2007284044A
Authority: JP
Inventors: 健尾上
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: US20090106997A1; US7743527B2; EP2056074A3; EP2056074A2; JP2009109425A

Description

本発明は、工作機械や産業機械、精密測長装置等に適用されるデジタルスケール、エンコーダ等の位置検出装置に関する。

従来、フライス盤、旋盤やＮＣ工作機械などの工作機械や産業機械、精密測長・測角装置等に適用されるスケール、ロータリエンコーダ等である位置検出装置は、例えば、工作機械本体に設けられる薄板状のスケール部材と、このスケール部材と対向する位置に設けられ、工作機械の加工物用移動テーブルに取り付けられるスライダと、スライダに取り付けられる検出ヘッドとにより、スケール部材に形成された目盛りを読み取り、位置検出を行い、被加工物の加工量等の制御に用いられている。

また、このような位置検出装置には、スライダを支持するスライダ固定部にキャリアが設けられ、このキャリアを介してスライダを支持するとともに、キャリアによりスライダが移動可能となっている。

ところで、このような位置検出装置においては、その位置検出を高精度、高分解能なものとするために、スケール部材の例えば磁気記録のピッチ（記録波長）を短くするとともに、検出ヘッドとスケール部材とのクリアランスを狭小化することが行われている。しかしながら、位置検出装置においては、組立精度、部品公差等により、キャリアとスケール部材との間の機械的な位置ずれが発生し、そのために、上述のクリアランス等が変動し、精確な位置検出が行えず、場合によっては、検出ヘッドの破損につながる。そこで、このような問題を解決するために、キャリアとスライダとの間に、位置ずれを抑制する自在機構を備える位置検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図９に示すスケール装置１００は、従来のスケール装置であり、スライダ１０１を支持するキャリア１０２と、スライダ１０１に搭載される検出ヘッド１０３に対向配置されるスケール部材１０４とから構成され、検出ヘッド１０３とスケール部材１０４とが相対移動し、検出ヘッド１０３によりスケール部材１０４からの位置信号を検出し、位置検出を行う。また、スケール装置１００は、相対移動方向に沿う位置において、キャリア１０２側に設けられるキャリア側カップリング部材１０５と、スライダ側に設けられるスライダ側カップリング部材１０６とから構成される自在機構１０７を備え、これにより、検出ヘッド１０３とスケール部材１０４との位置ずれを抑制している。

しかしながら、このスケール装置１００は、相対移動方向であるスケール部材１０４の長手方向に自在機構１０７が設けられており、これは、スケール部材１０４の長手方向においては寸法的に余裕があることからの構造であるが、スケール部材１０４と検出ヘッド１０３とのクリアランスを狭小化し、その状態を保持するという点においては、姿勢制御のための力のかかる方向が効率的ではない。

また、図１０に示すように、板バネ２０１を相対移動方向に対して垂直な平面内に設けるスケール装置２００も提案されている。なお、スケール装置２００は、スケール装置１００と同様の機能、構成については、同様の符号を付し、その説明を省略する。スケール装置２００は、板バネ２０１の一方端部をスケール部材の長手方向と略垂直な平面内のキャリア１０２に固定し、他方端部をスライダ１０１の検出ヘッド１０３が設けられる面の反対側の面に接し、スライダ１０１をスケール部材１０４に向けて付勢するものである。

しかしながら、板バネ２０１を有するスケール装置２００では、板バネの構造上、スライダ１０１をスケール部材１０４に対して垂直な方向への付勢力によって保持しているものではなく、上述のスケール装置１００と同様に効率的ではなく、精度に欠けるものでもある。

一方、スピンドルの動きにより測長をおこなう、デジタルゲージというものもあるが、このデジタルゲージは、一般的に１０〜１００［ｍｍ］程度の狭い範囲の形状を測定する際に使用されるものである。このように、測定範囲が狭いデジタルゲージにおいては、装置全体が小型化されており、そのような装置サイズを維持し、スケール装置１００が備える自在機構１０７を搭載することは物理的に不可能であった。

そこで、このようなデジタルゲージでは、非常に高いメカ精度による組み立てが必要とされ、コスト的に問題があった。

特許第３０１９５８５号

そこで、本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、装置全体が小型のまま、スケールと検出センサとのクリアランスの保持及び誤差量を低減することができる位置検出装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る位置検出装置は、位置検出用の情報が記録された記録媒体が設けられたスケールと、上記スケールの長尺方向に沿って相対移動し、該スケールの記録媒体と対向配置され、該記録媒体の情報を検出する検出センサが設けられるスライダと、上記スライダを支持するキャリアと、上記キャリアとスライダとの間に、該スライダの上記スケールに対する姿勢を制御する姿勢制御機構とを備える。そして、上記姿勢制御機構は、上記検出センサと対向する記録媒体が設けられる面に対して垂直で、該検出センサを通る直線上に位置し、上記キャリアに固定され、略中央に設けられる係合穴を有する板状部材からなるバネの性質を有するキャリア側カップリング部材と、上記スライダに固定され、該係合穴に係合される球状凸部を有するスライダ側カップリング部材とからなり、上記キャリア側カップリング部材のバネ性により上記スライダを上記スケール側に向かって直線方向に付勢して、該スライダを上記スケールに対して姿勢制御し、上記スライダには、上記スケールと摺接し、上記姿勢制御機構による付勢力を規制するガイド規制手段が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、姿勢制御機構が、検出センサと対向する記録媒体が設けられる面に対して垂直で、検出センサを通る直線上に位置し、スライダをスケールに対し、その直線方向に付勢し姿勢制御するので、装置全体を小型の状態に維持し、効率よく姿勢制御を行うことができ、スケールと検出センサとのクリアランスを保持し、直線性を代表とする位置ずれを抑制し、高精度の位置検出を行うことができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明を適用した位置検出装置１は、図１乃至図７に示すように、いわゆる小型のデジタルゲージであり、位置検出用の情報が記録された記録媒体１１が設けられたスケール１２と、スケール１２に対し相対移動するスライダ１３と、スライダ１３を支持するキャリア１４と、キャリア１４とスライダ１３とに介在され、スライダ１３のスケール１２に対する姿勢を制御する姿勢制御機構１５とから構成されている。位置検出装置１は、スピンドル型のデジタルゲージであり、図示しないスピンドルとスケール１２とが連結され、このスピンドルの長尺方向の動きと連動する。

なお、本説明においては、図１に示すように、スケール１２の移動方向をｘ方向とし、このｘ方向と直交する方向をｙ方向、ｚ方向とする。

スピンドルと連結されたスケール１２は、薄板形状からなり、一方の主面１２ａにおいて、幅方向略中央で長尺方向に亘り、磁気情報が記録された記録媒体１１が設けられている。

スケール１２に設けられる記録媒体１１は、位置情報を検出することができる目盛りが刻まれており、磁気のＮ極、Ｓ極が一定周期で、例えば１００［μｍ］の記録波長となるように交互に着磁されたものである。なお、記録媒体１１は、上述のように磁気式のものに限らず、光学式、容量式のものであってもよい。その際、後述する検出センサ２５は、この位置情報が検出できる方式のものが選択される。

また、スケール１２の一方の端部には、貫通孔１２ｂが設けられ、この貫通孔１２ｂに挿通されるボルト（不図示）により、図示しないスピンドルと連結されている。スケール１２は、その長尺方向がスピンドルの移動方向と一致するように連結される。

また、スケール１２の主面１２ａには、長尺方向であるｘ方向に、すなわち記録媒体１１の延伸方向に平行して、長尺の溝１２ｃが形成されている。このスケール１２に設けられる溝１２ｃは、検出センサ２５が搭載される基板をスライダ１３に固定するための固定手段２８がスケール１２と接触することを回避するための逃げ部として機能する。

スライダ１３は、スケール１２の主面１２ａと対向して配置され、スケール１２に対して相対移動する。スライダ１３は、図３Ａ乃至図５に示すように、スケール１２の記録媒体１１と対向する位置に配置される略直方体形状を有する本体部２１と、本体部２１のｙ方向側の両側面２１ａ、２１ｂに設けられるベアリング取付け用ブラケット２２、２３と、本体部２１の上面２１ｃに取り付けられる姿勢制御機構１５のスライダ側カップリング部材２４とから構成されている。

スライダ１３の本体部２１は、スケール１２の幅よりもやや短い幅を有する直方体形状からなり、記録媒体１１と対向する下面２１ｄの略中央に記録媒体１１の位置情報を検出することができる検出センサ２５が設けられている。検出センサ２５は、記録媒体１１の磁気情報を検出することができる、例えば、パーマロイ等の透磁率の高い薄膜をガラス等に蒸着して形成した磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）から構成されている。なお、検出センサ２５は、１００［μｍ］の記録波長の信号を検出する場合には、例えば、スケール１２の記録媒体１１とのクリアランスが数１０［μｍ］とすることが好ましい。また、検出センサ２５は、上述のようにＭＲ素子からなることに限らず、例えば、ホール素子等の磁気式センサであってもよい。

また、本体部２１には、両側面２１ａ、２１ｂのそれぞれに一対のｚ方向規制ベアリング２６、２７が取り付けられ、記録媒体１１と本体部２１とのｚ方向の距離を規制する。ｚ方向規制ベアリング２６、２７は、スケール１２の記録媒体１１が設けられていない主面１２ａ上を摺動し、スケール１２がこのｚ方向規制ベアリング２６、２７に倣い、所定の距離以上に検出センサ２５と記録媒体１１とが近接しないようにする。

また、本体部２１の下面２１ｄには、図３Ａ、図６に示すように、スケール１２の溝１２ｃと対向する位置に、検出センサ２５が搭載される基板をスライダ１３に固定するための固定手段２８が設けられている。固定手段２８は、スケール１２の溝１２ｃと対向する位置に設けられ、スライダ１３に検出センサ２５を固定することができるとともに、溝１２ｃとの位置関係で、スケール１２と接触することを回避することができる。

本体部２１の側面２１ａ側に設けられるベアリング取付け用ブラケット２２は、側面２１ａからｙ方向に突出し、スケール１２の側面と対向する位置に、スケール１２のｙ方向のずれを規制する一対のｙ方向規制ベアリング２９が設けられる。また、本体部２１の側面２１ｂ側に設けられるベアリング取付け用ブラケット２３は、側面２１ｂから−ｙ方向に突出し、スケール１２の側面と対向する位置に、スケール１２のｙ方向のずれを規制するｙ方向規制ベアリング３０が設けられる。ベアリング取付け用ブラケット２３には、板バネ３１が取り付けられ、この板バネ３１の一方端部をネジ３１ａによりベアリング取付け用ブラケット２３に固定し、板バネ３１の他方端部にｙ方向規制ベアリング３０が設けられ、ｙ方向規制ベアリング３０を−ｙ方向に付勢する。また、ｙ方向規制ベアリング３０は、一対のｙ方向規制ベアリング２９、２９から等距離となる位置に設けられ、ｙ方向への付勢を実現するために、一対のｙ方向規制ベアリング２９、２９の中間部に対して付勢する。

スライダ１３は、それぞれのベアリング取付け用ブラケット２２、２３に設けられるｙ方向規制ベアリング２９、３０により、スケール１２をｙ方向において挟み込み、スケール１２のｙ方向、すなわちスケール１２のトラック方向への位置ずれを規制する。

本体部２１の上面２１ｃに設けられるスライダ側カップリング部材２４は、後述する姿勢制御機構１５を構成する部材の一部であり、基台部３２と、基台部３２の略中央に固定される球状凸部３３とから構成されている。スライダ側カップリング部材２４は、球状凸部３３が、検出センサ２５とｚ方向において同一直線上となるように配置されている。

スライダ側カップリング部材２４の基台部３２は、板形状からなり、ｘ方向の両端部に取付け片３２ａ、３２ｂが形成され、この取付け片３２ａ、３２ｂのそれぞれに設けられる取付孔にネジ３２ｃ、３２ｃを螺合することにより、スライダ１３の本体部２１と固定される。

スライダ側カップリング部材２４の球状凸部３３は、基台部３２の略中央に設けられ、後述するキャリア側カップリング部材３８と連結される。

キャリア１４は、スライダ１３を支持する部材であり、スライダ１３及びスケール１２を覆う円筒状の筐体３４と、筐体３４の内面に突出し、姿勢制御機構１５のキャリア側カップリング部材３８を取り付けるための取付片３５と、スケール１２の裏面側と摺接されるｚ方向規制ベアリング３６を取り付けるための取付片３７とから構成されている。

キャリア１４の筐体３４は、例えば、内径が２０［ｍｍ］程度である、円筒形状からなり、内部において、スライダ１３と連結されている。筐体３４の取付片３５は、筐体３４の内周面において立設され、姿勢制御機構１５のキャリア側カップリング部材３８が固定されている。筐体３４の取付片３７は、筐体３４の内周面において取付片３５と対向する位置に設けられ、ｚ方向規制ベアリング３６が取り付けられている。ｚ方向規制ベアリング３６は、姿勢制御機構１５によるｚ方向への付勢力によりスケール１２の撓み等の変形を抑制するための規制手段である。

姿勢制御機構１５は、キャリア１４と固定されるキャリア側カップリング部材３８と、スライダ１３と固定されるスライダ側カップリング部材２４とから構成されている。

キャリア側カップリング部材３８は、スライダ側カップリング部材２４の球状凸部３３が係合される略中央に形成される係合穴３９ａを備える板状部材３９と、ｙ方向両端部において、略垂直に折り返して形成する折り返し片４０、４１とから構成されている。板状部材３９の係合穴３９ａは、その中心がスケール１２に対して垂直な方向、すなわちｚ方向で、検出センサ２５と同一直線上に位置するように配置される。板状部材３９の折り返し片４０、４１は、ｘ方向に平行な折り返し線として板状部材３９を折り返して形成されており、ｘ方向に対する機械的強度を上げることができる。これは、スケール１２の移動方向であるｘ方向が、スケール１２の変位が最大となる方向であり、かかる負荷も最大となることから、要請される機械的強度への対応である。

キャリア側カップリング部材３８は、全体として板バネの性質を有し、スライダ１３をスケール１２側、すなわち−ｚ方向に付勢する。

このように構成された姿勢制御機構１５は、スライダ１３に取り付けられた球状凸部３３と、板バネとしてのキャリア側カップリング部材３８の係合穴３９ａとが係合することにより、スライダ１３をスケール１２に対して垂直な方向、すなわち−ｚ方向に付勢する。また、姿勢制御機構１５では、キャリア１４とスライダ１３とが、スケール１２に対して垂直な方向、すなわちｚ方向で、検出センサ２５、球状凸部３３、板状部材３９が同一直線上に並ぶように配置されており、検出センサ２５の姿勢制御を効率よく行うことができる。

なお、姿勢制御機構１５は、上述の構成に限らず、ｚ方向で検出センサ２５と同一直線上に設けられ、スライダ１３の姿勢制御を行うことができる機構であれば、いかなるものであってもよい。図８に、姿勢制御機構１５の他の実施の形態について説明をする。

姿勢制御機構５０は、図８（Ａ）に示すように、キャリア１４に固定される板状部材５１と、スライダ１３に固定される基台部５２と、板状部材５１と基台部５２とで挟持する球状部材５３とから構成されている。

板状部材５１には、姿勢制御機構１５の板状部材３９と略同様の形状を有するが、係合穴３９ａの代わりに、凹部５１ａが形成されている。また、基台部５２は、姿勢制御機構１５の球状凸部３３の代わりに、別体の球状部材５３を設け、この球状部材５３が係合される凹部５２ａが形成されている。このような構成を有する姿勢制御機構５０は、姿勢制御機構１５と同様に、ｚ方向で、検出センサ２５と同一直線上に設けることにより、装置全体を小型に維持した状態で、姿勢制御を行うことができ、検出センサ２５と記録媒体１１とのクリアランスを一定の保持することができ、高精度の位置検出を行うことができる。

姿勢制御機構５５は、図８（Ｂ）に示すように、キャリア１４に固定され、球状凸部５６ａが形成される板状部材５６と、スライダ１３に固定され、この球状凸部５６ａが係合される係合穴５７ａを有する基台部５７とから構成されている。

このように構成を有する姿勢制御機構５５は、姿勢制御機構１５、５０と同様に、ｚ方向で、検出センサ２５と同一直線上に設けることにより、装置全体を小型に維持した状態で、姿勢制御を行うことができ、検出センサ２５と記録媒体１１とのクリアランスを一定の保持することができ、高精度の位置検出を行うことができる。

姿勢制御機構６０は、一端部がキャリア１４に固定されるコイルバネ６１と、スライダ１３に固定され、このコイルバネ６１の他端部側に係合される球状凸部６２ａを有する基台部６２とから構成されている。

このように構成を有する姿勢制御機構６０であっても、姿勢制御機構１５、５０、５５と同様に、ｚ方向で、検出センサ２５と同一直線上に設けることにより、装置全体を小型に維持した状態で、姿勢制御を行うことができ、検出センサ２５と記録媒体１１とのクリアランスを一定の保持することができ、高精度の位置検出を行うことができる。

以上のような構成を有する位置検出装置１では、姿勢制御機構１５がキャリア１４とスライダ１３とを連結するとともに、検出センサ２５とｚ方向において同一直線上に位置することから、キャリア側カップリング部材３８のスライダ１３に対する付勢力を効率よくスライダ１３に伝達でき、スライダ１３のスケール１２に対する姿勢を最適な状態、すなわち、検出センサ２５と記録媒体１１とのクリアランスを一定の状態に保つことができ、高精度に位置検出が可能となる。

また、位置検出装置１では、ｘｙｚ方向の位置ずれを規制するガイド規制手段としてのベアリングを備えることにより、スライダ１３のスケール１２に対する姿勢を最適な状態に保持することができ、検出センサ２５と記録媒体１１とのクリアランスを一定に保持できるとともに、スケール１２の長いストローク時に発生する振れ、撓みによる影響を抑制することができ、高精度の位置検出を維持することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用した位置検出装置の外観斜視図である。本発明を適用した位置検出装置の図１と異なる角度からの外観斜視図である。本発明を適用した位置検出装置の要部拡大図であり、図１の矢印Ａ方向から見た拡大図である。本発明を適用した位置検出装置の要部拡大図であり、図１の矢印Ｂ方向から見た拡大図である。本発明を適用した位置検出装置の要部拡大図であり、図１の矢印Ｃ方向から見た拡大図である。本発明を適用した位置検出装置の一部破断斜視図である。本発明を適用した位置検出装置の図１と異なる角度からの一部破断斜視図である。スライダ及び姿勢制御機構の要部拡大斜視図である。ベアリングの構成を示す斜視図である。姿勢制御機構の他の実施の形態を示す模式図である。従来のスケール装置を示す模式図である。従来の他のスケール装置を示す模式図である。

符号の説明

１位置検出装置、１１記録媒体、１２スケール、１２ａ主面、１２ｂ貫通孔、１２ｃ溝、１３スライダ、１４キャリア、１５、５０、５５、６０姿勢制御機構、２１本体部、２１ａ、２１ｂ側面、２１ｃ上面、２１ｄ下面、２２、２３ベアリング取付け用ブラケット、２５検出センサ、２６、２７、３６ｚ方向規制ベアリング、２８ガイド規制片、２９、３０ｙ方向規制ベアリング、３１板バネ、３２基台部、３３球状凸部、３４筐体、３５、３７取付片、３８キャリア側カップリング部材、３９板状部材、３９ａ係合穴、４０、４１折り返し片、１００、２００スケール装置、１０１スライダ、１０２キャリア、１０３検出ヘッド、１０４スケール部材、１０５キャリア側カップリング部材、１０６スライダ側カップリング部材、１０７自在機構、２０１板バネ

Claims

位置検出用の情報が記録された記録媒体が設けられたスケールと、
上記スケールの長尺方向に沿って相対移動し、該スケールの記録媒体と対向配置され、該記録媒体の情報を検出する検出センサが設けられるスライダと、
上記スライダを支持するキャリアと、
上記キャリアとスライダとの間に、該スライダの上記スケールに対する姿勢を制御する姿勢制御機構とを備え、
上記姿勢制御機構は、上記検出センサと対向する記録媒体が設けられる面に対して垂直で、該検出センサを通る直線上に位置し、上記キャリアに固定され、略中央に設けられる係合穴を有する板状部材からなるバネの性質を有するキャリア側カップリング部材と、上記スライダに固定され、該係合穴に係合される球状凸部を有するスライダ側カップリング部材とからなり、上記キャリア側カップリング部材のバネ性により上記スライダを上記スケール側に向かって直線方向に付勢して、該スライダを上記スケールに対して姿勢制御し、
上記スライダには、上記スケールと摺接し、上記姿勢制御機構による付勢力を規制するガイド規制手段が設けられることを特徴とする位置検出装置。
上記キャリア側カップリング部材は、上記スケールの長手方向と平行な折り返し線として上記板状部材の両端部を折り返して形成することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
上記キャリアには、上記スケールの記録媒体の反対側において、上記姿勢制御機構の該スケールにかかる付勢力による該スケールの変形を規制する規制手段が更に設けられることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。