JP6132785B2 - 偏芯調整装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転体を回転軸中心に対して偏芯なく組み立てることができる偏芯調整装置に関するものであり、たとえば光学式ロータリーエンコーダのスケール円板と回転軸の位置決めを行う偏芯調整装置に関するものである。

ロータリーエンコーダはサーボシステムにおける検出器として、モータの回転角度や速度を検出するために用いられる。エンコーダの位置検出原理としては光学式や磁気式などがある。偏芯調整装置が取り扱う対象となる光学式ロータリーエンコーダにおいての位置検出方法を以下に説明する。光学式ロータリーエンコーダは駆動部の回転軸に接続される回転軸と、この回転軸と一体に回転するスケール円板と、スケール円板を間に挟んで対向配置されている発光素子及び受光素子などから構成される。ここでスケール円板は、回転に応じて発光素子から受光素子への透過光を変調させることができるようにパターンが施されている。具体的な構成としては、金属製の回転軸にスケール円板を接着固定したものが一般的である。

今日設備の高精度化に伴い、駆動部の位置及び速度を検出するエンコーダに対しても高精度化が求められている。エンコーダを高精度にするためにはパターンの微細化はもちろんのこと、組立精度の向上が必要不可欠である。例えばスケール円板が回転軸の中心に対しずれた位置で接着固定された場合、所望の光の変調が得られず、誤動作につながるおそれがある。このように回転軸中心とスケール円板の位置調整は高精度な調整が求められる。

エンコーダ組立に限らず、一般的な回転軸の中心に回転体（スケール円板）を位置決めする方法としては、回転軸を回転させながら回転軸の中心と回転体中心との間の偏芯量を計測し、測定した偏芯方向と偏芯量に基づいて位置調整することが行われている。また回転体として円板を用いた場合の例では、その調整方法としては、回転体の外側を押し回転体を接合面で滑らせる方法がある。

このような方法として例えば、回転ディスクが固定配置されるシャフトの回転軸と回転ディスクのディスク中心とが一致するように、回転ディスクの位置調整を行うリニアモータを設けたエンコーダがある（特許文献１参照）。

又別の方法として回転スリット板が回転軸に仮置きされた仮組みロータリーエンコーダを支持する支持部材と、回転軸を回転させる回転手段と、回転スリット板を径方向に押し込むための回転スリット板押し治具と、回転スリット板押し治具を移動させる押し治具移動手段と、回転スリット板の一定範囲を撮像する撮像装置と、撮像装置で得られた画像を処理して回転スリット板の振れ変位を求め、振れ変位のデータに応じて撮像装置および制御手段に必要な信号を適宜出力するＣＰＵとを備え、振れの最大変位を求めこれより若干小さい値を閾値とするとともに閾値を超える時間ΔＴを求める閾値越え時間検出手段と、閾値を超えた後さらに時間ΔＴ／２経過した位置を停止位置とする停止位置決定手段とを備えたロータリーエンコーダの回転スリット板組み付け装置がある（特許文献２参照）。
上記のような偏芯調整は、既定の偏芯量になるまで繰り返し計測しながら位置調整を行うものである。

特開２０１２−１６８０６６号公報 特開２００７−１７１１０６号公報

回転軸を回転させながらスケール円板の偏芯量を計測する際、スケール円板の偏芯によってスケール円板に遠心力が加わる。上記特許文献１、２に示したように回転軸上にスケール円板をただ単に配置した構成では、遠心力によってスケール円板が回転軸に対しずれてしまう（スケール円板の軸ずれ）。従って繰り返し計測し、更には位置調整を行わなければならないか、あるいは、仮置き接合面の静止摩擦力を超えない程度の回転速度とする必要があるため、調整時間が増大するとともに、数μｍ単位の位置調整精度を満足させることが困難という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、計測回数及び位置調整回数が少なく、かつ、回転速度が速くても数μｍ単位の高精度な偏芯量調整ができる偏芯調整装置を得ることを目的としている。

この発明に係る偏芯調整装置は、被固定体に被調整物を固定する際、被調整物の被固定体に対する偏芯量を調整するものであって、被調整物の被固定体が固定される側とは反対側において被調整物を押さえ付ける被調整物押さえ機構と、被調整物の被固定体に対する偏芯量及び偏芯方向を計測する機構と、移動可能なステージ上に配置されるとともに被調整物の外側を押すことにより被調整物の偏芯量を調整する調整ヘッドを備え、更に被調整物の偏芯に伴う遠心力により、被調整物が被固定体に対してずれないように、被調整物押さえ機構による被調整物を押付ける荷重Ｆ１を以下の式を満たすように設定したものである。

ｍｅω ^２ ＜（ｍｇ＋Ｍｇ＋Ｆ１）μ１＋（Ｍｇ＋Ｆ１）μ２

ここでｍは上記被調整物の質量、Ｍは上記被調整物押さえ機構の質量、ｅは上記被調整物の最大偏芯量、ωは偏芯計測時における上記被固定体の角加速度、ｇは重力加速度、μ１は上記被調整物と上記被固定体の間の静止摩擦係数、μ２は上記被調整物と上記被調整物押さえ機構の間の静止摩擦係数である。

上記のように構成された偏芯調整装置によれば、被調整物を被固定体に仮固定しながら被調整物の偏芯量を計測する際、被調整物の軸ずれを抑制できる。また、仮固定面の制止摩擦力が向上するため、許容できる回転速度も向上する。従って計測回数、計測時間、及び位置調整回数を低減し、調整時間を短縮することができる。

実施の形態１による偏芯調整装置を示す概略図である。 実施の形態１によるスケール円板を示す平面図である。 センサーとしてカメラを用いた場合における測定の様子を示した平面図である。 スケール円板の偏芯を計測した際における１回転の測定値を示す図である。 実施の形態１によるスケール偏芯量の計測位置を示す図である。 実施の形態１によるスケール円板押え機構を示す断面図である。 図６におけるＡ方向から見た断面図である。 図６におけるＢ方向から見たシャフト部分を示す平面図である。 回転時にスケール円板１に加わる力の関係を説明するためのスケール円板抑え機構を示す正面図である。 実施の形態２による偏芯調整装置を示す概略図である。 回転時にスケール円板１に加わる力の関係を説明するためのスケール円板押さえ機構を示す正面図である。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による偏芯調整装置を示す概略図である。図において、スケール円板１はボス２を介在させてシャフト３に固定されている。偏芯調整装置は、スケール円板１をボス２に固定する際、スケール円板１の回転中心のシャフト３に対する偏芯量を規定値以下になるように調整を行うものである。

具体的な調整行程は、ボス２のスケール円板１との接着面に接着剤を塗布する行程、スケール円板１の位置を調整する行程、及び接着剤を硬化する行程からなる。以下図１において、スケール円板１の回転中心のシャフト３に対する位置を調整する方法について説明する。スケール円板１は接着剤が塗布されたボス２の上に配置され、ボス２はシャフト３にねじなどを用いて固定され、スケール円板１はシャフト３とともに回転する。シャフト３はカップリング４を介してモータ５と締結される。

すなわちモータ５の回転に伴ってシャフト３およびボス２は回転することができる。またスケール円板押さえ機構６は、スケール円板１の上面に配置され、スケール円板１をボス２に押付け、スケール円板１をボス２の上面に倣わすとともに、回転中にスケール円板１が遠心力によって動かないようにボス２に押し付けるために設けられている。

次に図２、図３及び図４に基づいて、スケール円板１の回転中心のシャフト３に対する偏芯量を計測する方法について説明する。図２はスケール円板１を示す平面図である。図２に示すように、スケール円板１には、振れ計測用の真円パターン１ａが配置されており、モータ５を回転させながら、センサー７で真円パターン１ａの位置を計測する。センサー７としては、カメラ及び光学的に検出するセンサーなどがある。図３はセンサー７としてカメラを用いた場合における測定の様子を示した平面図である。

図３に示すように、カメラを用いた場合、画像処理にて真円パターン１ａの位置を認識し、真円パターン１ａとシャフト３の回転中心Ｃ１の距離Ａを計測する。モータ５の回転角度はモータ制御器８から装置制御器１０に入力され、更にセンサー７を用いて計測した距離Ａはセンサー制御器９から装置制御器１０へそれぞれ入力されることにより偏芯量及び偏芯方向は装置制御器１０に入力される。

図４は、偏芯したスケール円板１の真円パターン１ａと回転中心Ｃ１の距離Ａを１回転分計測した図である。図４に示すように、距離Ａの平均値Ａａｖｅと距離Ａの最大値Ａｍａｘとの差から偏芯量αを求め、距離Ａの最大値Ａｍａｘの位置を偏芯方向Ｄ１として求める。

または１回転中に３箇所の距離Ａを計測し、円の方程式から中心座標を求める方法を用いて、偏芯量と偏芯方向Ｄ１を求める方法でも良い。たとえば図５（Ａ）、（Ｂ）に示すような座標系において、０ｄｅｇ、１２０ｄｅｇ、及び２４０ｄｅｇに回転させた時、真円パターン１ａと回転中心Ｃ１の距離Ａ_０、Ａ_１２０及びＡ_２４０を計測する場合は、次の式（１）〜式（３）を解くことで、中心座標（ｘ，ｙ）＝（ａ，ｂ）を求めることができる。したがって、式（４）、式（５）で中心座標より偏芯量αおよび偏芯方向Ｄ１を求めることができる。尚ｒは真円パターン１ａの半径である。

偏芯量の調整は、スケール円板１における真円パターン１ａの偏芯量および偏芯方向を算出後、偏芯方向になるようモータ５を回転させ、偏芯方向と調整ヘッド１１が配置されている位置とを一致させる。そしてステージ制御器１２からの信号によりステージ１３を移動させ、調整ヘッド１１でスケール円板１の外側を偏芯量だけ押し込むことにより、真円パターン１ａの中心とシャフト３の回転中心との間の同軸度を向上させる。調整方法としては調整ヘッド１１を偏芯量α移動させる方法や、真円パターンの偏芯方向Ｄ１に対向する部位をセンサー７により位置を計測しながらステージ１３を移動させ、真円パターンが偏芯量αに達した時点でステージ１３を停止させる方法がある。

偏芯調整後、再度モータ５を回転させながら、センサー７で真円パターン１ａの位置を計測し、スケール円板１の偏芯量を測定する。スケール円板１の偏芯量が規定値以下であれば、スケール円板１とボス２間の接着材を硬化させ、スケール円板１をボス２に固定する。一方スケール円板１の偏芯量が規定値以上であれば、調整ヘッド１１でスケール円板１の位置を再調整し、偏芯量が規定値以下になるまで測定及び調整を繰り返し行う。

次に図６に基づいてスケール円板押さえ機構６について詳細に説明する。図６はスケール円板押さえ機構６を示す断面図、図７は図６におけるＡ方向から見た断面図、図８は図６におけるＢ方向から見たシャフト部分を示す平面図である。スケール円板押え機構６はカラー５１、ばね５２、押さえ５３、弾性を有する樹脂製のリング状の円板押え部５４で構成される。この円板押え部５４は、スケール円板１に対して適度な摩擦係数を有するものを使用することが望ましい。又図６において、スケール円板１には穴が設けられており、この穴部分にシャフト３が貫通するようになっている。

スケール円板押さえ機構６は、スケール円板１の上側に配置され、スケール円板１をボス２に押付ける機能を有する。押さえ５３は円筒状の部品で構成され、図８に示すようにシャフト３の上面に押さえ５３を通す部分３ａを設けている。そして押さえ５３を点線で示す穴３ｂまで捻りながら挿入することにより、シャフト３に円板押え機構６を取り付ける。このようにして押さえ部５３によって、スケール円板抑え機構６はシャフト３に取付けられる。そのためシャフト３が回転する際、シャフト３とともにスケール円板抑え機構６は回転することができる。

図９は回転時にスケール円板１に加わる力の関係を説明するためのスケール円板抑え機構を示す正面図である。スケール円板１を回転させ偏芯量を計測する際、スケール円板１の偏芯に伴う遠心力により、スケール円板１がボス２に対してずれを（スケール円板の軸ずれ）起こさないように、スケール円板押さえ機構６によるスケール円板１を押付ける荷重Ｆ１〔Ｎ〕を設定する。すなわち次式（６）を満たす荷重Ｆ１にする。

ここで、ｍはスケール円板１の質量〔Ｋｇ〕、Ｍはスケール円板押え機構６の質量〔Ｋｇ〕、ｅはスケール円板１の最大偏芯量〔ｍｍ〕、ωは偏芯計測時におけるシャフト３の角加速度［ｒａｄ／ｓ^２］、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］、Ｆ１はスケール円板１を押し付ける荷重〔Ｎ〕、μ１はスケール円板１とボス２間の静止摩擦係数、μ２はスケール円板１と円板押え部５４間の静止摩擦係数をそれぞれ示す。

ｍｅω^２は遠心力、ｍｇμ１はスケール円板１の自重によるスケール円板１とボス２間の静止摩擦力、Ｍｇμ１はスケール円板押え機構６の自重によるスケール円板１とボス２間の静止摩擦力、Ｆ１μ１はスケール円板押さえ機構６のスケール円板１を押さえ付ける荷重によるスケール円板１とボス２間の静止摩擦力、Ｍｇμ２はスケール円板押え機構６の自重によるスケール円板１と円板押え部５４の静止摩擦力、Ｆ１μ２はスケール円板押さえ機構６のスケール円板１を押さえ付ける荷重によるスケール円板１と円板押え部５４間の静止摩擦力である。詳細なスケール円板押え荷重Ｆ１の設定は、ばね定数やばねの縮み量で調整することができる。このように構成することにより、スケール円板１の偏芯による遠心力によってスケール円板１が動かない荷重で仮固定することができる。

このようなスケール円板１をボス２に押え付ける機構を設けることにより、センサー７でスケール円板１の偏芯量を計測する際、スケール円板１の軸ずれを抑制できるため、正しい真円パターン１ａの偏芯量と偏芯方向を求めることができる。従って偏芯量の計測回数及び位置調整回数を減らすことができる。また、回転速度を高速化することができるため計測時間を短縮することができる。すなわちスケール円板調整工程の工程時間を短縮できる効果がある。又上記においては、ばね５２により押え荷重Ｆ１を発生させ、スケール円板１の偏芯による遠心力によってスケール円板１が動かないよう仮固定するものである。なお、上記スケール円板１が請求項１に記載の被調整物に相当し、ボス２（またはシャフト３）が被固定体、スケール円板調整機構６が被調整物押さえ機構に相当する。

実施の形態２．
図１０は実施の形態２による偏芯調整装置を示す概略図である。本実施形態においては、スケール円板押え機構６でスケール円板１に荷重を与える機構として、磁力を用いたものである。スケール円板押さえ機構６０は、スケール円板１の上側に位置し、スケール円板押さえ機構６１はスケール円板１の下側に位置し、スケール円板１が間に介在するように配置される。また、上側に位置するスケール円板押さえ機構６０は磁石で構成されると共に、スケール円板押さえ機構６１は鉄などの磁性体で構成されており、磁力によりスケール円板１をボス２に押付けている。

そのためシャフト３が回転する際、シャフト３とともにスケール円板抑え機構６０は回転することができる。またスケール円板押さえ機構６０を磁性体で構成すると共に、スケール円板押さえ機構６１を磁石で構成しても良い。図１１は、回転時にスケール円板に加わる力の関係を説明するためのスケール円板押さえ機構を示す正面図である。実施の形態１と同様に（６）式を満たす荷重Ｆ１でスケール円板１を押さえる。但しこの場合μ２はスケール円板１とスケール円板押さえ機構６０の間の静止摩擦係数である。

スケール円板押え荷重Ｆ１の調整は、磁束密度の異なる磁石を用いたり、又磁石と磁性体の表面積を変えたり、更にはスケール円板押え機構６０とスケール円板押え機構６１間の距離Ｂを変えることにより調整することができる。

上記のように構成することにより、実施の形態１と同様にセンサー７でスケール円板１の偏芯量を計測する際スケール円板１の軸ずれを抑制できるため、正しい真円パターン１ａの偏芯量と偏芯方向を求めることができる。また、回転速度を高速化することができるため計測時間を短縮することができる。従って偏芯量の計測回数及び位置調整回数を減らすことができる。すなわちスケール円板調整工程の工程時間を短縮できる効果がある。更に本実施形態では実施の形態１に比べてスケール円板押さえ機構の設置スペースを小さくした状態で大きな押しつけ力を得ることができる効果がある。

更にボス２が鉄などの磁性体で構成されている場合、スケール円板押さえ機構６１がない構成でもよい。すなわちスケール円板１の上側に配置されるスケール円板押さえ機構６０とボス２間の磁力によって、スケール円板１をボス２に押し付けることができる。そのためシャフト３が回転する際、シャフト３とともにスケール円板押さえ機構６０は回転することができる。このような機構によれば、図１０に示された構造と同様の効果を得るだけでなく、更にスケール円板押さえ機構を小型化することができ、設置スペースを小さくすることができる。

更にシャフト３が鉄などの磁性体で構成されると共に、スケール円板１をシャフト３に直接固定する場合、スケール円板押さえ機構６１がない構成でもよい。すなわちスケール円板１の上側に配置されるスケール円板押さえ機構６０とシャフト３間の磁力によって、スケール円板１をシャフト３に押し付けることができる。そのためシャフト３が回転する際、シャフト３とともにスケール円板押さえ機構６０は回転することができる。このような機構によれば、上記と同様の効果を得ることができる。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ スケール円板、２ ボス、３ シャフト、５２ ばね、
６，６０ スケール円板押え機構、１１ 調整ヘッド、１３ ステージ。

Claims (3)

1. 被固定体に被調整物を固定する際、上記被調整物の上記被固定体に対する偏芯量を調整する偏芯調整装置であって、
   上記被調整物の上記被固定体が固定される側とは反対側において上記被調整物を押さえ付ける被調整物押さえ機構と、
   上記被調整物の上記被固定体に対する偏芯量及び偏芯方向を計測する機構と、
   移動可能なステージ上に配置されるとともに上記被調整物の外側を押すことにより上記被調整物の偏芯量を調整する調整ヘッドを備え、
   上記被調整物の偏芯に伴う遠心力により、上記被調整物が上記被固定体に対してずれないように、上記被調整物押さえ機構による上記被調整物を押付ける荷重Ｆ１を以下の式を満たすように設定することを特徴とする偏芯調整装置。
   
   ｍｅω ^２ ＜（ｍｇ＋Ｍｇ＋Ｆ１）μ１＋（Ｍｇ＋Ｆ１）μ２
   
   ここでｍは上記被調整物の質量、Ｍは上記被調整物押さえ機構の質量、ｅは上記被調整物の最大偏芯量、ωは偏芯計測時における上記被固定体の角加速度、ｇは重力加速度、μ１は上記被調整物と上記被固定体の間の静止摩擦係数、μ２は上記被調整物と上記被調整物押さえ機構の間の静止摩擦係数である。
2. 上記被調整物押さえ機構による上記被調整物を押付ける荷重を、ばねにより発生する力によって生じさせたことを特徴とする請求項１記載の偏芯調整装置。
3. 上記被調整物押さえ機構による上記被調整物を押付ける荷重を、磁石により発生する磁力によって生じさせたことを特徴とする請求項１記載の偏芯調整装置。

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