JP6085658B1 - 位置検出装置及び位置検出装置付き運動案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道部材にスケールを貼り付けるスペースを不要にする位置検出装置を提供する。【解決手段】運動案内装置の軌道部材１に、ベースに固定するための締結部材を挿通可能な通し穴３を設ける。軌道部材１に転動体を介して移動可能に組み付けられる摺動台２に、軌道部材１に向かって磁界を発生する磁石６ａ，６ｂを設ける。磁石６ａ，６ｂの磁界内に、軌道部材１に対する磁石６ａ，６ｂの相対的な移動に伴う磁石６ａ，６ｂの磁界の変化を検出する磁気センサ８ａ，８ｂを配置する。【選択図】図３

Description

本発明は、軌道部材に転動体を介して摺動台が相対的に移動可能に組み付けられる運動案内装置に用いられる位置検出装置に関する。

工作機械のテーブル等の移動体の線運動を案内する運動案内装置として、軌道部材に転動体を介して摺動台が相対的に移動可能に組み付けられる運動案内装置が知られている。軌道部材と摺動台との間に転動体を介在させることで、これらの間のすきまを無くすことができ、高い剛性で移動体を支承することができる。また、転動体が軌道部材と摺動台との間を転がり運動するので、移動体が円滑に線運動する。

運動案内装置に用いられる位置検出装置として、軌道部材に貼り付けられる磁気式又は光学式スケールが知られている。摺動台には、スケールを読み取る磁気式又は光学式センサが取り付けられる（例えば特許文献１参照）。軌道部材には長手方向に沿って溝が設けられる。スケールはこの溝に嵌められる。

特開２００８−１４４７９９号公報

しかし、従来の位置検出装置にあっては、軌道部材にスケールを貼り付けるスペースを確保する必要があり、小型の運動案内装置では、このスペースを確保するのが困難であるという課題がある。

そこで、本発明は、軌道部材にスケールを貼り付けるスペースを不要にできる位置検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ベースに固定するための締結部材を挿通可能な通し穴を有し、転動体を介して摺動台が移動可能に組み付けられる軌道部材と、前記軌道部材に向かって磁界を発生する磁石と、前記磁界内に配置され、前記軌道部材に対する前記磁石の相対的な移動に伴う前記磁石の前記磁界の変化を検出する磁気センサと、を備える位置検出装置である。

本発明によれば、軌道部材の通し穴をスケールとして利用するので、軌道部材にスケールを貼り付けるスペースが不要である。また、軌道部材自体がスケールであるので、安価な位置検出装置が得られる。なお、本発明は、小型の運動案内装置に適しているが、小型の運動案内装置に限られるものではない。また、軌道部材の通し穴の全てに締結部材を通すこともできるし、一つ置き、二つ置き等の固定に必要な通し穴のみに締結部材を通すこともできる。

本発明の一実施形態における位置検出装置付き運動案内装置の外観斜視図である。 上記位置検出装置付き運動案内装置の平面図である。 上記位置検出装置付き運動案内装置の側面図である。 図３のIV部拡大図である。 磁気センサの構成を示す模式図である。 ブロックの移動に伴うバイアス磁石の磁界の変化を示す模式図である。 ブロックの移動に伴う磁気センサの出力電圧の変化を示すグラフである。 締結部材としてステンレス製のボルトを用いた場合と鋼製のボルトを用いた場合とで、磁気センサが出力する出力電圧を比較したグラフである（図８（ａ−１）（ａ−２）がステンレス製のボルトを用いた場合、図８（ｂ−１）（ｂ−２）が鋼製のボルトを用いた場合）。 ブロックの両端部に設けられる一対のエンコーダが出力するＡ相信号及びＢ相信号を示すグラフである。 位置検出装置の信号処理部を示す模式図である。 ルックアップテーブルメモリを示す模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態における位置検出装置付き運動案内装置を詳細に説明する。ただし、本発明は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。なお、添付の図面において、同一の構成要素には同一の符号を附す。

図１は本実施形態の位置検出装置付き運動案内装置の外観斜視図を示し、図２はその平面図を示し、図３はその側面図を示す。図１に示すように、位置検出装置付き運動案内装置は、軌道部材としての軌道レール１と、摺動台としてのブロック２と、を備える。

軌道レール１は、一方向に細長く延びる。軌道レール１は、断面が略四角形であり、水平面に配置したと仮定した状態において、底面１ａ、左右一対の側面１ｂ、上面１ｃを有する。軌道レール１の配置はこのような配置に限られるものではなく、説明の便宜上のための仮定である。軌道レール１の材質は、鋼等の磁性体である。軌道レール１の側面１ｂには、一又は複数の転動体転走部１ｂ１が設けられる。軌道レール１の上面１ｃには、軌道レール１の底面１ａまで貫通する複数の通し穴３が長手方向に一定のピッチで設けられる。通し穴３には、軌道レール１をベースに固定するための締結部材としてのボルトが通される。通し穴３の上部には、ボルトの頭部のすわりをよくするための座ぐり３ａが設けられる（図２、図３参照）。通し穴３の中心を結んだ中心線方向（図２中(1)方向）における通し穴３の座ぐり３ａの幅ｗ１と座ぐり３ａではない部分４の幅ｗ２との比は、１：ｘ（ただし、０＜ｘ＜１）に設定される。

図１に示すように、ブロック２は、軌道レール１にボール、ローラ等の転動体を介して軌道レール１の長さ方向に直線運動可能に組み付けられる。ブロック２は、断面が略コ字形であり、軌道レール１の上面１ｃに対向する水平部２ａと、軌道レール１の側面１ｂに対向し、水平部２ａの幅方向の両端部から垂下する袖部２ｂと、を有する。また、ブロック２は、略中央の鋼製のブロック本体２−１と、ブロック本体２−１を囲むように設けられる樹脂部２−２と、を備える。ブロック２には、転動体を循環させるトラック状の循環路が複数設けられる。ブロック本体２−１には、軌道レール１の転動体転走部１ｂ１に対向する負荷転動体転走部が設けられる。樹脂部２−２には、負荷転動体転走部の一端と他端とを接続する戻し路が設けられる。負荷転動体転走部と戻し路とが循環路を構成する。ブロック２の移動方向の両端部には、軌道レール１に付着した異物を除去するスクレーパ、シール装置等の異物除去装置５ａ，５ｂが設けられる。

ブロック２の移動方向の両端部には、位置検出装置を構成するエンコーダ１０ａ，１０ｂが配置される。エンコーダ１０ａ，１０ｂは、磁石としてのバイアス磁石６ａ，６ｂと、磁気センサ８ａ，８ｂと、基板７ａ，７ｂと、を備え（図３参照）、これらの部品６ａ，７ａ，８ａ及び６ｂ，７ｂ，８ｂを一体に樹脂成形してなる（図１参照）。図３に示すように、基板７ａ，７ｂの上面には、バイアス磁石６ａ，６ｂが取り付けられる。バイアス磁石６ａ，６ｂは、直径よりも高さの低い円柱形である。バイアス磁石６ａ，６ｂの中心軸６ａ１，６ｂ１は、軌道レール１の上面１ｃに直交する。バイアス磁石６ａ，６ｂは中心軸６ａ１，６ｂ１の方向に磁化される。バイアス磁石６ａ，６ｂの軌道レール１側の端面がＮ極であり、バイアス磁石６ａ，６ｂの反対側の端面がＳ極である。バイアス磁石６ａ，６ｂは、磁性体の軌道レール１に向かって磁界を発生させる。

図４の拡大図にも示すように、基板７ａ，７ｂの下面には、磁気センサ８ａ，８ｂが配置される。磁気センサ８ａ，８ｂは、少なくとも２つの磁気センサ８ａ１，８ａ２及び８ｂ１，８ｂ２からなる。磁気センサ８ａ１，８ａ２は、バイアス磁石６ａの中心軸６ａ１に関して左右対称に配置される。磁気センサ８ｂ１，８ｂ２は、バイアス磁石６ｂの中心軸６ｂ１に関して左右対称に配置される。磁気センサ８ａ，８ｂは、磁界の方向の変化に応じて抵抗が変化する磁気抵抗素子又はホール素子等からなり、磁界に対して同一の感度を持つ。磁気センサ８ａ，８ｂと軌道レール１の上面１ｃとの間にはすきまが設けられる。磁気センサ８ａ，８ｂは、バイアス磁石６ａ，６ｂと軌道レール１の上面１ｃとの間にバイアス磁石６ａ，６ｂの磁界内に配置される。

軌道レール１に対してブロック２が移動することによって、磁気センサ８ａ，８ｂに加わる磁界の方向に変化が生じ、磁気センサ８ａ，８ｂの抵抗値に変化が生じる。磁気センサ８ａ，８ｂの抵抗値の変化を中点電位として出力すれば、ブロック２の相対位置を検出することができる。図５は、磁気センサ８ａの構成を示す。磁気センサ８ａ１と磁気センサ８ａ２とは直列に接続される。磁気センサ８ａ２には、電源電圧Ｖccが印加される。磁気センサ８ａ１の一端は接地される。磁気センサ８ａ１と磁気センサ８ａ２とは中点端子９で接続されており、この中点端子９の電圧値が中点電位として出力される。磁気センサ８ｂの構成も同一である。なお、磁気センサ８ａ，８ｂの構成は、図５に示すようなハーフブリッジ構成に限られるものではなく、さらに感度を上げるためにハーフブリッジ構成を２組組み合わせたフルブリッジ構成を用いることもできる。

図６は、ブロック２の移動に伴うバイアス磁石６ａの磁界の変化を示す模式図である。符号３−１，３−２は隣接する２つの通し穴を示す。上段が通し穴３−１，３−２の平面図を示し、下段が通し穴３−１，３−２の断面図を示す。符号１１は平面視したときのバイアス磁石６ａの中心を示す。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ、ブロック２の移動に伴って、バイアス磁石６ａが一方の通し穴３−１の中心にあるとき（Ａ）、バイアス磁石６ａが一方の通し穴３−１の中心から一方向（図６の右方向）にずれた位置にあるとき（Ｂ）、バイアス磁石６ａが通し穴３−１，３−２の間にあるとき（Ｃ）、バイアス磁石６ａが他方の通し穴３−２の中心から他方向（図６の左方向）にずれた位置にあるとき（Ｄ）を示す。

まず、バイアス磁石６ａがＡの位置、すなわち一方の通し穴３−１の中心にあるとき、バイアス磁石６ａが発生させる磁界は、通し穴３−１の中心から通し穴３−１の周囲の磁性体の部分１２，１３に放射状に向かう。磁気センサ８ａ１，８ａ２は、バイアス磁石６ａの中心軸６ａ１に対して左右対称に配置されるので、磁気センサ８ａ１，８ａ２に加わる磁界の方向も左右対称である。符号ａ１，ａ２は、平面視したときに磁気センサ８ａ１，８ａ２に加わる磁界の方向を示す。磁気センサ８ａ１の抵抗Ｒ１＝磁気センサ８ａ２の抵抗Ｒ２、である。したがって、Ｖccが５Ｖのとき、２．５Ｖの中点電位が出力される（図５参照）。

次に、バイアス磁石６ａがＢの位置、すなわち一方の通し穴３−１の中心から右方向にずれた位置にあるとき、バイアス磁石６ａは磁性体の部分１２よりも磁性体の部分１３の近くにあるので、バイアス磁石６ａが発生させる磁界にアンバランスが生じる。左右の磁気センサ８ａ１，８ａ２に加わる磁界の方向にもアンバランスが生じ、磁気センサ８ａ１の抵抗Ｒ１＞磁気センサ８ａ２の抵抗Ｒ２、になる。したがって、２．５Ｖよりも大きい中点電位が出力される。

次に、バイアス磁石６ａがＣの位置、すなわち通し穴３−１，３−２の間にあるとき、バイアス磁石６ａの下方は磁性体の部分１３であるので、バイアス磁石６ａから下方に向かう磁界が発生する。磁気センサ８ａ１，８ａ２に加わる磁界の方向は左右対称であり、磁気センサ８ａ１の抵抗Ｒ１＝磁気センサ８ａ２の抵抗Ｒ２、である。したがって、２．５Ｖの中点電位が出力される。

次に、バイアス磁石６ａがＤの位置、すなわち他方の通し穴３−２の中心から左方向にずれた位置にあるとき、バイアス磁石６ａは磁性体の部分１４よりも磁性体の部分１３の近くにあるので、バイアス磁石６ａが発生させる磁界にアンバランスが生じる。左右の磁気センサ８ａ１，８ａ２に加わる磁界の方向にもアンバランスが生じ、磁気センサ８ａ１の抵抗Ｒ１＜磁気センサ８ａ２の抵抗Ｒ２、になる。したがって、２．５Ｖよりも小さい中点電位が出力される。

図７は、バイアス磁石６ａがＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置にあるときの出力電圧（中点電位）の変化を示す。横軸はブロック２の移動量を示し、縦軸が出力電圧（中点電位）を示す。ブロック２の移動に伴って、磁気センサ８ａの出力電圧は正弦波状に変化する。バイアス磁石６ａが一方の通し穴３−１の中心にあるときから他方の通し穴３−２の中心にあるときまでが、１周期である。出力電圧の周期的な変化を利用することで、ブロック２の位置を検出することができる。

図８は、締結部材として非磁性材であるステンレス製のボルトを用いた場合（ａ−１）と鋼製のボルトを用いた場合（ｂ−１）とで、磁気センサ８ａが出力する出力電圧を比較したグラフである。図８（ａ−１）に示すように、ステンレス製のボルトを用いた場合、通し穴３が空間（すなわちボルト無し）の場合と略同一の波形が得られる。図８（ａ−２）に示すように、ボルト有りの場合とボルト無しの場合との出力差も略ゼロである。

これに対し、図８（ｂ−１）に示すように、鋼製のボルトを用いた場合、通し穴３が空間（すなわちボルト無し）のときよりも出力電圧のピーク値が小さい。図８（ｂ−２）に示すように、ボルト有りの場合とボルト無しの場合との出力差も大きい。締結部材にステンレス製のボルトを使用することで、磁気センサ８ａの出力電圧に及ぼす影響を略無くすことができる。なお、非磁性材の締結部材として、樹脂製のボルトを用いることもできる。

図２に示すように、エンコーダ１０ａ，１０ｂは、ブロック２の移動方向の両端部に配置される。一方のエンコーダ１０ａのバイアス磁石６ａが通し穴３の中心にあるとき、他方のエンコーダ１０ｂのバイアス磁石６ｂは通し穴３間ピッチＬの１／４倍だけ通し穴３の中心からずれた位置にある。このため、図９に示すように、一方のエンコーダ１０ａの磁気センサ８ａは、正弦波状のＡ相信号を出力し、他方のエンコーダ１０ｂの磁気センサ８ｂは、Ａ相信号から９０°位相がずれた余弦波状のＢ相信号を出力する。

磁気センサ８ａ，８ｂが出力するＡ相信号及びＢ相信号は、以下のように処理される。図１０に示すように、Ａ相信号及びＢ相信号は、位置検出装置の信号処理部２１に送られる。信号処理部２１は、Ａ相信号及びＢ相信号を内挿処理し、高分解能の位相角データを出力する。

これを詳述するに、Ａ相信号及びＢ相信号は、Ａ／Ｄ変換器２２ａ，２２ｂに入力される。Ａ／Ｄ変換器２２ａ，２２ｂは、Ａ相信号及びＢ相信号を所定の周期でデジタルデータＤＡ，ＤＢにサンプリングする。図１１に示すように、予め信号処理部２１のルックアップテーブルメモリ２３には、逆正接関数（arctan）を用いた次の式に基づいて作成されたルックアップテーブルデータが記録されている。
ｕ＝arctan（ＤＢ／ＤＡ）

図１１は、８ビット×８ビットのアドレス空間に１周期１０００分割の位相角データを持たせる場合のルックアップテーブルメモリ２３のメモリ構成を示す。信号処理部２１は、デジタルデータＤＡ，ＤＢをそれぞれｘ，ｙアドレスとしてルックアップテーブルデータを検索し、ｘ，ｙアドレスに対応した位相角データｕを得る。これにより、１波長（０から２πまでの区間）内を分割・内挿することが可能になる。なお、ルックアップテーブルメモリ２３を用いる替わりに、ｕ＝arctan（ＤＢ／ＤＡ）の演算をして、位相角データｕを算出することにより、１波長（０から２πまでの区間）内を分割・内挿することもできる。信号処理部２１は、位相角データｕからＡ相パルス信号及びＢ相パルス信号を生成し、１周期に１度のＺ相パルス信号を生成する。信号処理部２１が出力するＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号、Ｚ相パルス信号が、テーブル等の移動体の位置制御に利用される。

以上に本実施形態の位置検出装置付き運動案内装置の構成を説明した。本実施形態の位置検出装置付き運動案内装置によれば、以下の効果を奏する。

軌道レール１の通し穴３をスケールとして利用するので、軌道レール１にスケールを貼り付けるスペースが不要である。また、軌道レール１自体がスケールであるので、安価な位置検出装置が得られる。

締結部材がステンレス製のボルトであるので、締結部材が磁気センサ８ａ，８ｂの出力電圧に及ぼす影響を略無くすことができる。

磁気センサ８ａ，８ｂをバイアス磁石６ａ，６ｂと軌道レール１との間に配置するので、磁気センサ８ａ，８ｂがバイアス磁石６ａ，６ｂの磁界の方向の変化を高感度で検出することができる。

エンコーダ１０ａ，１０ｂをブロック２の移動方向の両端部に配置し、Ａ相信号及びＢ相信号を出力するので、ブロック２の位置を高分解能で検出することができる。また、エンコーダ１０ａ，１０ｂをブロック２の移動方向の両端部に配置することにより、エンコーダ１０ａ，１０ｂの小型化も図れる。上記のように、一方のエンコーダ１０ａのバイアス磁石６ａが通し穴３の中心にあるとき、他方のエンコーダ１０ｂのバイアス磁石６ｂは通し穴３間ピッチＬの１／４倍だけ通し穴３の中心からずれた位置にある。エンコーダ１０ａ，１０ｂをブロック２の移動方向の片側にのみ配置した場合、通し穴３間のピッチＬが狭いとき、磁気センサ８ａ，８ｂ間のピッチを５／４Ｌ等に設定する必要があり、エンコーダ１０ａ，１０ｂが大きくなり易い。

同一の軌道レール１に二つのブロック２，２を組み付ける場合、二つのブロック２，２のそれぞれにエンコーダ１０ａ又は１０ｂを取り付け、Ａ相信号及びＢ相信号を出力することもできる。ブロック２の上にテーブルを配置すると、ブロック２の移動方向の両端部にエンコーダ１０ａ，１０ｂを配置できなかったり、取り付け作業がしにくい場合がある。同一の軌道レール１上の二つのブロック２，２それぞれにエンコーダ１０ａ又は１０ｂを取り付けることで、この問題を解決できる。もちろん、同一の軌道レール１に三つ以上のブロック２…を組み付けることもできる。

軌道レール１の通し穴３の中心を結んだ中心線方向における通し穴３の座ぐり３ａの幅ｗ１と座ぐり３ａではない部分４の幅ｗ２との比を１：ｘ（ただし、０＜ｘ＜１）に設定するので、磁気センサ８ａ，８ｂの出力電圧の波形を正弦波状にすることができる。

ブロック２に設けた異物除去装置５ａ，５ｂで磁性体の異物を掻き取るので、異物が磁気センサ８ａ，８ｂの出力電圧に悪影響を及ぼすのを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に変更可能である。

例えば、上記実施形態のバイアス磁石の形状、磁気センサの個数、バイアス磁石と磁気センサとの位置関係等は一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲で他の構成を採用し得る。

また、軌道レール及びブロックの構成は一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲で他の構成を採用し得る。

上記実施形態では、エンコーダがブロックに取り付けられているが、エンコーダをテー
ブル等の移動体に取り付けることもできる。

１…軌道レール（軌道部材）、２…ブロック（摺動台）、３…通し穴、３ａ…座ぐり、４…軌道レールの座ぐりではない部分、６ａ，６ｂ…バイアス磁石（磁石）、８ａ，８ｂ…磁気センサ

Claims (7)

1. ベースに固定するための締結部材を挿通可能な通し穴を有し、転動体を介して摺動台が移動可能に組み付けられる軌道部材と、
   前記軌道部材に向かって磁界を発生する磁石と、
   前記磁界内に配置され、前記軌道部材に対する前記磁石の相対的な移動に伴う前記磁石の前記磁界の変化を検出する磁気センサと、を備える位置検出装置。
2. 前記締結部材が非磁性材であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記磁石と前記軌道部材との間に前記磁気センサが配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 互いに９０°位相がずれたＡ相信号及びＢ相信号を出力するように、前記磁石及び前記磁気センサが前記摺動台の移動方向の両端部に配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
5. 同一の前記軌道部材に２つの前記摺動台が組み付けられており、
   互いに９０°位相がずれたＡ相信号及びＢ相信号を出力するように、前記磁石及び前記磁気センサが２つの前記摺動台のそれぞれに取り付けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記軌道部材は、前記軌道部材の長さ方向に少なくとも二つの前記通し穴を有し、
   前記少なくとも二つの前記通し穴の中心を結んだ中心線方向における前記通し穴の座ぐりの幅と前記座ぐりではない部分の幅との比が１：ｘに設定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の位置検出装置。ただし、０＜ｘ＜１である。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の位置検出装置と、
   前記軌道部材及び前記摺動台を有する運動案内装置と、
   を備える位置検出装置付き運動案内装置。
   

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