JP6708449B2 - 直線変位測定装置のスケール保持構造 - Google Patents

Description

本発明は直線変位測定装置に関し、具体的には、スケールをスケールホルダに保持するためのスケール保持構造に関する。

各種産業機械において精密な位置制御を行うため、変位測定装置、いわゆるエンコーダが利用される。直線変位測定装置１００を図１に示す。直線変位測定装置１００は、長手状のスケール部２００と、スケール部２００に対して相対的にスライド移動可能に設けられたスライダ３００と、を有する。

直線変位測定装置１００は、例えば、移動ステージ９０に取り付けられる。移動ステージ９０が、基台９１と、基台９１に対してスライド移動可能なステージ９２と、で構成されているとする。このとき、スケール部２００がステージ９２の側端面にネジ止めされ、スライダ３００が基台９１にネジ止めされる。
この構成により、基台９１に対するステージ９２の相対変位が精密に測定される。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
スケール部２００は、長手状のスケール２１０（図２参照）と、スケール２１０を収容するスケールホルダ２２０と、を備える。スケール２１０は、主としてガラス基板で構成されており、測長軸方向に目盛りが形成されている。光電式の例でいうと目盛りは回折格子である。

スケールホルダ２２０は中空かつ長尺状であり、例えばアルミニウム等の（軽量の）金属製であることが多い。スケールホルダ２２０は、その側面に軸方向に沿ったスリット２２２を有し、このスリット２２２を介して内側と外側とが繋がっている。スケールホルダ２２０には、取り付け固定用の孔１３が複数穿設されており、この孔１３によりスケールホルダ２２０はステージ９２にネジ止めされる。
スケール２１０は、スケールホルダ２２０の内部において、スケールホルダ２２０に形成されたスケール保持用の溝２４０（以後、スケール保持溝と称する）に嵌め込まれた状態で保持されている。

スライダ３００は、スケールホルダ２２０の長手方向に相対移動可能に設けられており、スケール２１０に対する相対変位量あるいは相対位置を検出する。
スライダ３００は、スケール２１０上をスケール２１０に沿って走行する走行体４００と、スケールホルダ２２０の外部にあってスケール部２００に沿ってスライド移動するキャリッジ部３１０と、走行体４００とキャリッジ部３１０とを連結する連結手段５００と、を備える。

この構成において、ステージ９２がスライド移動すると、これに伴ってスケール部２００とキャリッジ部３１０とが相対変位する。連結手段５００によってキャリッジ部３１０と走行体４００とが連結されているので、キャリッジ部３１０とともに走行体４００がスケール２１０に対して相対移動する。このとき、検出部がスケール２１０に対する相対変位量を検出し、外部に出力する。

ところで、スケールホルダ２２０は中空かつ長尺状であり、例えばアルミニウム等の（軽量の）金属製であることが多い。
一方、スケール２１０は主としてガラス基板で構成されている。
スケール２１０とスケールホルダ２２０とでは材質が異なるわけであるから熱膨張係数が異なる。例えば、長尺のスケール２１０を考えると、保障温度内でも両者にはミリメートル単位の伸縮差が生じる。
近年ではスケール２１０が３ｍを超えるような長尺化の傾向にある。直線変位測定装置１００の保管保障温度は−２０℃から７０℃の範囲であるが、この場合、保障温度内でも両者には両端で１．５ｍｍ程度の伸縮差が生じる。
したがって、スケール２１０をスケールホルダ２２０に取り付けるにあたっては、完全に固定しまうのではなく、ある程度伸縮差を許容できるようにしておく必要がある。

図２からスケール２１０とスケールホルダ２２０とを抜き出して図３に示す。
また、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図を図４に示した。
前述の通り、スケール２１０は、スケールホルダ２２０に形成されたスケール保持溝２４０に嵌め込まれた状態で保持されている。このとき、細い円柱状の丸ゴム２５０がスケールホルダ２２０とスケール２１０との間に押し込まれる。
図４に示されるように、丸ゴム２５０は測長方向に所定のピッチＰで配設される。
ゴム２５０の弾性によって、スケール２１０がスケールホルダ２２０に押し付けられ（付勢され）、スケール２１０がスケールホルダ２２０にしっかりと保持される。このとき、ゴム２５０は弾性変形できるので、スケールホルダ２２０とスケール２１０との間の伸縮差が許容される。

なお、伸縮の基点となる固定点を決めるため、スケールホルダ２２０とスケール２１０とは一箇所だけ接着剤２６０で固着されている（図４参照）。この接着剤２６０は、伸縮したりせず、スケールホルダ２２０とスケール２１０とを堅固に固着するものなので固定点接着剤２６０と称することにする。

特開２００４−３０１５４１号公報

前述のように近年スケールが長尺化している。例えば、３ｍ程度の長尺のスケール２１０が求められることがある。この長尺のスケール２１０をスケールホルダ２２０に保持し、例えば３５Ｇ程度の耐衝撃性を確保したいとすると、必要になる丸ゴム２５０の数は計算で求まる。
ここで、計算通りに丸ゴム２５０を配置すれば耐衝撃性を確保できるのであるが、別の問題が発生することが分かった。

３ｍの長尺スケールを押さえるとなると、丸ゴム２５０の数がかなりの数になる。スケール２１０に対してスケールホルダ２２０が相対的に伸長（あるいは縮小）するとき、もちろん、丸ゴム２５０は変形する。その後、スケールホルダ２２０が縮小（あるいは伸長）するとき、丸ゴム２５０が完全に元に復元すればよいが、丸ゴム２５０に歪みが残ることがある。
これは、おそらく、スケール２１０とスケールホルダ２２０とが伸縮するとき、スケール２１０とゴム２５０との間、あるいは、スケールホルダ２２０とゴム２５０との間にわずかな滑りが発生し、これが歪みとして残るためと考えられる。特に、スケール２１０とスケールホルダ２２０との伸縮差が大きいと、この滑りが発生しやすくなると考えられる。

ゴム２５０に歪みが残ると、スケール２１０の軸方向に力が掛かる。ゴム２５０の数が少なければ問題にならないかもしれないが、ゴム２５０の数が増えてくるとスケール２１０を歪ませる要因になる。
スケール２１０の歪みは測定誤差の要因となり、看過することはできない。しかし、単純にゴム２５０の数を減らすことはできない。
ゴム２５０の数を減らしてしまうと耐衝撃性が不十分となり、スケール２１０がスケールホルダ２２０から浮き上がったりすると、やはり測定誤差の原因になる。

本発明の目的は、スケールの保持構造において、ゴムの残留歪みでスケールが歪まないようにしながらも十分な耐衝撃性を維持できるスケール保持構造を提供することにある。

本発明の直線変位測定装置は、
長手状のスケール部と、前記スケール部に対して相対的にスライド移動可能に設けられたスライダと、を備え、前記スケール部に対する前記スライダの相対変位量あるいは相対位置を検出する直線変位測定装置であって、
前記スケール部は、長手状のスケールと、前記スケールを収容するスケールホルダと、を備え、前記スケールは、前記スケールホルダの内部において、前記スケールホルダに形成されたスケール保持用の溝に嵌め込まれた状態で保持されており、
前記スケール保持用の溝内において、前記スケールホルダと前記スケールとの間には、ゴムと接着剤とが配置され、
前記接着剤は前記ゴムと前記ゴムとの間にあって、前記ゴムと前記接着剤とはそれぞれ所定のピッチで配置されている
ことを特徴とする。

本発明では、
前記ゴムと前記接着剤とは交互に配置されている
ことが好ましい。

本発明では、
前記ゴムは、所定長さの細長い丸ゴムであり、
１つの前記接着剤の長さは、前記ゴムの配置ピッチの二分の一以下であり、
前記接着剤は前記ゴムと干渉しない
ことが好ましい。

本発明では、
前記ゴムの弾性定数は、５〜１０［Ｎ／ｍｍ］であり、
前記接着剤の弾性定数は１５〜２０［Ｎ／ｍｍ］である
ことが好ましい。

例えば、ゴムの弾性定数を７〜９［Ｎ／ｍｍ］、より具体的には８．４［Ｎ／ｍｍ］としてもよい。
また、例えば、接着剤の弾性定数を１６〜１８［Ｎ／ｍｍ］、より具体的には１７．２［Ｎ／ｍｍ］にしてもよい。

本発明では、
前記接着剤の伸び率は、１８０〜２２０［％］である
ことが好ましい。

本発明では、
前記スケールホルダは、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金で形成され、
前記スケールはガラスで構成されている
ことが好ましい。

本発明のスケール保持構造は、
直線変位測定装置のスケール部において、スケールホルダの内部にスケールを保持するスケール保持構造であって、
前記スケールは、前記スケールホルダの内部において、前記スケールホルダに形成されたスケール保持用の溝に嵌め込まれた状態で保持されており、
前記スケール保持用の溝内において、前記スケールホルダと前記スケールとの間には、ゴムと接着剤とが配置され、
前記接着剤は前記ゴムと前記ゴムとの間にあって、前記ゴムと前記接着剤とはそれぞれ所定のピッチで配置されている
ことを特徴とする。

直線変位測定装置を本実施形態の取付け具で移動ステージに取り付けた状態を示す図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 図２からスケールとスケールホルダとを抜き出した詳細図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図を示す図である。 第１実施形態を説明するための図である。 ゴムと補強接着剤の配置の変形例を示す図である。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図５は、スケール保持構造を示す図である。
図５は、図４に対応する図であり、スケール２１０はスケールホルダ２２０のスケール保持溝２４０に嵌っている。
ただし、丸ゴム２５０だけでスケール２１０を保持するのではなく、接着剤２７０を併用している点に特徴がある。すなわち、スケール２１０をスケールホルダ２２０に押し付けて保持するのにはゴム２５０の弾性が必要であるから必要な個数のゴム２５０も使い、併せて、弾性が小さい接着剤２７０をスケール保持溝２４０に配置してスケール２１０とスケールホルダ２２０との間を接着することとする。
これにより、要求される耐衝撃性に対し、すべてをゴム２５０の押し付け力（付勢力）でカバーするのではなく、耐衝撃性の一部はゴム２５０でカバーしつつも、残りを接着剤２７０で持たせるようにする。この接着剤２７０はスケール保持を補強する役目をもつことから、この接着剤２７０を補強接着剤２７０と称することにする。

補強接着剤２７０としては、例えば、シリコーン系接着剤を利用でき、例えば、信越化学工業株式会社のシリコーン系接着剤であるＫＥ−４８９７（製品番号）が好適である。シリコーン系接着剤には、常温硬化型と加熱硬化型があるが、加熱によるスケールの伸びを考慮して、常温硬化型が望ましい。
参考としてＫＥ−４８９７の特性を表に示す。

補強接着剤２７０を選択する際のポイントの一点目は、硬化したときでもスケール２１０とスケールホルダ２２０との伸縮差を許容できるように変形可能な材質のものである。
硬化したときの伸び率が１８０〜２２０［％］程度あることが好ましい。

補強接着剤２７０を選択する際のポイントの二点目は、硬化したときに弾性が弱いことである。
スケール２１０とスケールホルダ２２０とに伸縮差が発生した場合でもスケール２１０に軸方向の過剰な力が掛からないようにするためである。
弾性定数が１５〜２０［Ｎ／ｍｍ］であることが好ましい。

補強接着剤２７０を選択する際のポイントの三点目は、硬化前の液状の段階で粘性が高いことである。
補強接着剤２７０とゴム２５０とによってスケール２１０とスケールホルダ２２０とを保持する必要があるが、単に堅固に保持すればよいわけではなく、両者の伸縮差を許容する必要がある。
例えば、スケール２１０とスケールホルダ２２０との間が全面的に補強接着剤２７０で接着されてはいけない。これでは両者の伸縮差が許容されず、スケールホルダ２２０の伸縮に伴ってスケール２１０に軸方向に過剰な力が掛かってしまう。
前述のように、長尺のスケール２１０にあっては末端で１．５ｍｍの伸縮差が生じることがあるが、全面的に接着剤が付着してしまってはこれだけの伸縮差を許容することはできない。
そのため、力学的な計算に基づき、ゴム２５０および補強接着剤２７０の配置はある程度決まってくる。

ここで、表２にスケール２１０の長さに応じて好適なゴム２５０および補強接着剤２７０の配置の例を示す。

表２中のゴム２５０のピッチＰＧ、補強接着剤２７０のピッチＰＡ、補強接着剤２７０の長さＬＡは、図５中の符号に対応している。
なお、ゴム２５０の硬度を５０°、スケール２１０はガラス基板で幅が４．８ｍｍのものとした。
このように、ゴム２５０と補強接着剤２７０とは交互にそれぞれ所定のピッチで配置され、１つの補強接着剤２７０の長さもある程度決まってくる。したがって、補強接着剤２７０はある程度の粘性を有し、設計通りの位置に留まる必要がある。
逆に、粘性が低すぎて流れてしまうようではいけない。

ここで、もっとも単純に考えると、スケール保持溝２４０の底に全体的に接着剤を流し込み、それからスケール保持溝２４０にスケール２１０やゴム２５０を押し込む構造を採用しそうなものである。しかし、まず第１に、これでは前述したように、スケール２１０とスケールホルダ２２０との伸縮差を許容することができなくなる。
スケール２１０の長さが一義的に決まっていれば、好適な特性の接着剤を選んでくることも可能かもしれないが、長尺のスケール２１０としては、１ｍから３ｍ、さらにはそれ以上の長さがあるのであり、スケール２１０の長さごとに接着剤の種類を変えるというのは融通が利かない。それよりは、本実施形態のように、ゴム２５０と接着剤２７０とを併用し、それぞれのピッチや接着剤長さを変化させることで対応した方が製造工程を考える上で実際的である。
第２に、スケール保持溝２４０の底に全面的に接着剤を流しこむと、これを硬化させることが極めて難しくなる。
したがって、本実施形態においても、スケール２１０の前面とスケール保持溝２４０の側面との間に補強接着剤２７０を配置しているのである。

なお、表２中で、ゴム２５０がカバーする耐衝撃性と補強接着剤２７０がカバーする耐衝撃性とを足すと要求値を若干超えるようにしてあるのは、性能に余裕を持たせるためである。

最後に、補強接着剤２７０を選択する際のポイントとしては、速乾性を有することが好ましい。
補強接着剤２７０はスケール保持溝２４０に配設されるのであるので、空気に触れにくく乾燥しにくい。場合によっては、熱硬化性や光（紫外線）硬化性があってもよいし、嫌気性接着剤でもよい。

このように本実施形態では、スケール保持構造を構成にするにあたってゴム２５０だけでなく補強接着剤２７０も併用するようにした。
ゴム２５０の数が少なくなるので、仮にゴム２５０に残留歪みが残ったとしても、ゴム２５０の残留歪みに起因してスケール２１０の軸方向に過剰な力が掛かることはない。
したがって、長尺の直線変位測定装置１００でありながらも、温度保障範囲が広く、かつ、高い精度保障もできる直線変位測定装置１００とできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
ゴム２５０の位置をある程度固定しておくため、ゴム２５０に接着剤を付けてもよい。すなわち、ゴム２５０とスケール２１０との間、あるいは、ゴム２５０とスケールホルダ２２０との間を接着剤でとめるようにしてもよい。
この接着剤は、ゴム２５０が動かないようにすればよいのであるから特段に材質は限定されないが、例えば、信越化学工業株式会社のシリコーン系接着剤であるＫＥ−４８９７（製品番号）を使用してもよい。

上記実施形態（図５）ではゴム２５０とゴム２５０との間に必ず補強接着剤２７０を配置する例を示したが、ゴム２５０とゴム２５０との間に必ず補強接着剤２７０を配置するのではなく、１つ飛ばしで補強接着剤２７０を配置するようにしてもよい。
１つ飛ばしや２つ飛ばしで補強接着剤２７０を配置すれば補強接着剤２７０を付ける場所が少なくなるのであるから、その分補強接着剤２７０を付ける作業工程が少なくなるというメリットがある。
図６に例示したようにゴム２５０とゴム２５０との間に１つ飛ばしで補強接着剤２７０を配置すれば、図５（第１実施形態）の場合に比べて補強接着剤２７０を付ける作業は略半分になると期待できる。

一方、補強接着剤２７０の配置箇所が少なくなると、その分、１つ１つの補強接着剤２７０が担うべき耐衝撃性が増える。すると、１つ１つの補強接着剤２７０の量を増やさないといけないことになる。補強接着剤２７０で受けるべき耐衝撃性（例えば１３Ｇ）を満たすには補強接着剤２７０の合計量がある程度決まってくるが、これを少ない箇所で分配しようとすると１つ１つの補強接着剤２７０の量が増えるわけである。すると、補強接着剤２７０を付ける過程でゴム２５０と補強接着剤２７０とが干渉するリスクが高まるというデメリットに繋がる。

メリットとデメリットとの兼ね合いになるが、ゴム２５０と補強接着剤２７０との干渉を回避すべく、できるかぎり補強接着剤２７０の配置を分散させることが好ましい。
また、長尺スケール２１０に掛かる衝撃をバランスよく吸収する効果をできる限り高めるようにするには、力学的バランスの観点においてもできる限りゴム２５０および補強接着剤２７０の配置を分散させることが好ましいといえる。
したがって、ゴム２５０と補強接着剤２７０とを交互に配し、ゴム２５０とゴム２５０との間に少しずつ補強接着剤２７０があるようにすることが好ましい。

１００…直線変位測定装置、
２００…スケール部、２１０…スケール、
２２０…スケールホルダ、２２２…スリット、
２４０…スケール保持溝、２５０…ゴム、２６０…固定点接着剤、２７０…補強接着剤、
３００…スライダ、３１０…キャリッジ部、
４００…走行体、
５００…連結手段。

Claims (5)

1. 長手状のスケール部と、前記スケール部に対して相対的にスライド移動可能に設けられたスライダと、を備え、前記スケール部に対する前記スライダの相対変位量あるいは相対位置を検出する直線変位測定装置であって、
   前記スケール部は、長手状のスケールと、前記スケールを収容するスケールホルダと、を備え、前記スケールは、前記スケールホルダの内部において、前記スケールホルダに形成されたスケール保持用の溝に嵌め込まれた状態で保持されており、
   前記スケール保持用の溝内において、前記スケールホルダと前記スケールとの間には、ゴムと接着剤とが配置され、
   前記ゴムは、所定長さの細長い丸ゴムであり、
   前記接着剤は前記ゴムと前記ゴムとの間にあって、前記ゴムと前記接着剤とはそれぞれ所定のピッチで配置され、
   前記ゴムと前記接着剤とは交互に配置されていて、
   １つの前記接着剤の長さは、前記ゴムの配置ピッチの二分の一以下であり、前記接着剤は前記ゴムと干渉しない
   ことを特徴とする直線変位測定装置。
2. 請求項１に記載の直線変位測定装置において、
   前記ゴムの弾性定数は、５〜１０［Ｎ／ｍｍ］であり、
   前記接着剤の弾性定数は、１５〜２０［Ｎ／ｍｍ］である
   ことを特徴とする直線変位測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の直線変位測定装置において、
   前記接着剤の伸び率は、１８０〜２２０［％］である
   ことを特徴とする直線変位測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の直線変位測定装置において、
   前記スケールホルダは、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金で形成され、
   前記スケールはガラスで構成されている
   ことを特徴とする直線変位測定装置。
5. 直線変位測定装置のスケール部において、スケールホルダの内部にスケールを保持するスケール保持構造であって、
   前記スケールは、前記スケールホルダの内部において、前記スケールホルダに形成されたスケール保持用の溝に嵌め込まれた状態で保持されており、
   前記スケール保持用の溝内において、前記スケールホルダと前記スケールとの間には、ゴムと接着剤とが配置され、
   前記ゴムは、所定長さの細長い丸ゴムであり、
   前記接着剤は前記ゴムと前記ゴムとの間にあって、前記ゴムと前記接着剤とはそれぞれ所定のピッチで配置され、
   前記ゴムと前記接着剤とは交互に配置されていて、
   １つの前記接着剤の長さは、前記ゴムの配置ピッチの二分の一以下であり、前記接着剤は前記ゴムと干渉しない
   ことを特徴とするスケール保持構造。