JPS5815722B2 - 磁気スケ−ル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁気スケール装置、詳しくは同軸直線型磁気
スケール装置の改良に関する。

円筒及び角筒などの筒体内に磁気目盛を記録したスケー
ル軸本体（以下これを「ロッドスケール−という。

）と検出用ヘッドとを同心的に配設し、このヘッドとロ
ッドスケールとの相対的な移動量をｑ％信号として取出
すようにした磁気スケール装置は、既に広く知られてい
る。

しかし、かかる従来の同軸直線型磁気スケール装置の大
きな問題点は、上記の筒体とその内部に記されるロッド
スケールとの材質に起因して読取り誤差が生ずることで
ある。

これは、ロッドスケールの材料である磁石鋼などはその
周りの磁性材料の筒体に比し線膨張係数が大きいため、
スケール装置を例えば工作機械の位置決め手段などに適
用した場合には、ロッドスケールが機体の温度又は外気
温度の上昇などにより伸長するか或いは彎曲して、機体
側の測長部分と正確に一致しなくなるからであると考え
られていた。

上記の点を更に考察すると、筒体内の中心部にロッドス
ケールを配して双方の両端部を固定した場合、筒体の線
膨張係数を鉄系材料から成る被取付は装置のそれに合せ
て筒体を例えば炭素鋼（線膨張係数が約１１ Ｘ １０
”／’Ｃの磁性材料）で作っても、筒体の線膨張係数に
対してキュニフェ・（Ｃｕ Ｎｉ Ｆｅ合金’）な
どのロッドスケールの線膨張係数の方が大きいため、か
かる磁気スケール装置を例えば工作機械の本体に取付け
たとすると、主としてロントスケールの膨張により磁気
スケール装置を構成する筒体及びロントスケールの合成
線膨張係数と工作機械本体のそれとの間に差異を生じて
上述のような不都合を招き、磁気スケール装置の測定精
度を低下させるものと考えられる。

したがって、本発明の目的は、従来の同軸直線型磁気ス
ケール装置における上述の如き問題点を改善するにあり
、具体的には、簡単な方法によりその筒体とロッドスケ
ールとの合成線膨張率を被取付は装置のそれと実質的に
一致させて磁気スケール装置の測定精度を向上させるに
ある。

以下、図面により本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す部分的断面図で
、第２図は第１図Ａ−Ａ線上の断面図である。

図において、１は適当な外径及び内径を有する円筒の筒
体、２はその中心部に配設されたロッドスケールを示し
、このロントスケール２の周面の長手方向には周知の如
く磁気目盛が正確なピッチで記録されている。

３は筒体１の両端部に取付けられた段付きスリーブ（た
だし、右方部は省略した。

）を示し、このスリーブ３は筒体１内への嵌合部３ａと
締付はテーパ一部３ｂとより成り、テーパ一部３ｂには
複数の割溝３ｃを形成すると共に基部をねじ部として、
その中心孔３ｄへ挿通したロッドスケール２の端部をね
じ部に螺合する締付はナツト４により緊締し得るように
する。

また、スリーブ３は袋ナツト５により筒体１の両端に固
定する。

筒体１には、その長手方向に沿いガイド用のスリット１
′を形成する。

そして、筒体１内にはロントスケール２の周りに同心的
に検出ヘッド６を配設し、この検出ヘッド６と一体に移
動する例えば板状の測定子７を設け、これをスリット１
′から外部へ突出せしめる。

ここで、検出ヘッド６の移動手段及び上記測定子７と検
出ヘッド６との結合手段としては、例えば、図示のよう
に測定子７の側面形状を上向きコ字状とし筒体１内に検
出ヘッド６の両端部を保持して筒体内周面を摺動する一
対のカラー状摺動体８ａ及び８ｂを設け、これらの摺動
体と測定子７のコ字状両端部とをそれぞれ一体的に結合
している。

なお、筒体１のスリット１′に沿って移動される測定子
７の移動量、すなわちロッドスケール２の長手方向に対
する検出ヘッド６の相対的変位量がこのヘッドから電気
信号として取出されることは、言うまでもない。

本発明は、上記のような構成の磁気スケール装置におい
て、筒体１とロッドスケール２との合成線膨張率を被取
付は装置のそれ（通常これは鉄の線膨張系数１１×１０
−６／℃にする。

）に近似させるため筒体１とロッドスケール２の断面積
比を特定の値に選択するものである。

先ず、線膨張係数及び断面積の異なる部材を組合わせて
構成するスケール装置について、温度変化に伴って生じ
る縦ひずみの問題を考える。

今、任意温度ｔにおいて応力Ｏの状態で固定された組合
わせ部材について各部材の長さをｌとし各部材の伸び剛
性ｋｉを次式で表わすことに、する。

ｋ・＝Ｅ−８・／ｌ ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（１）１ １ま ただし、Ｅｉは弾性係数、Ｓｉは断面積である。

組合わせ部材の使用中に温度がＴに変化した場合、もし
、各部材が固定されておらず温度変化Δｔ＝Ｔ−ｔによ
り自由伸縮をするものと仮定すと、各部材は、 λｔ・＝ｌσ・Δｔ・・・・−・・・−・・・・・・・
・・・・・・（２）ま ただし、σ１は部材の線膨張系数で表わされる伸縮を生
じる。

上記のように固定された組伺わせ部材の温度変化Δｔに
よる伸縮を７．とすると、各部材の伸縮差は、 λ＝石−λ１ｉ ＝λ−ｌσ・Δｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・ （３）で表わせる。

このとき、各部材には次の軸応力が生じる。

Ｆ・二ｋ・ λ・ ＝ｋｉ（八−４σｉΔｔ）・・・・・・・・・ （４）
固定された組合わせ部材において「そり」が無視できる
場合には、温度変化に伴う軸応力について ΣＦｉ−Σｋｉ（′Ｔｔ−１σｉΔｔ）−〇・・・（５
）の関係が成立する。

ゆえに、（５）式から組合わせ部材全体として温度変化
による伸び７は、 八−（Σｋｉσｉｌ／Σｋｉ）Δｔ・・・・・・（６）
と表わせる。

そこで、磁気スケール装置として形成されたものの線膨
張係数をσ１とし、構成部材であるロッドスケール及び
筒体の線膨張係数をそれぞれσ２゜□σ３としたとき、 °°＜°“く“′］（７） もしくはσ３〉σ１〉σ２ を満たすようにσ２ 、σ３を選択する。

そうすると、磁気スケール装置の温度変化による伸び７
１は、（６）式から次のようになる。

−（ｋ２σ２＋に３σ３Ｍ λｔ−に２＋に３ °Δ“°°°゛°°（８）ただし
、ｋ２ 、に３は、（１）式で示すようなロッドスケー
ル及び筒体の伸び剛性である。

； 温度変化による磁気スケール装置の所要の伸び■＝
σ ｌΔｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（９）に筒体とロッドスケールの組合わ
せ全体の伸びλｔを等しくする条件は、（８）及び（９
）式から、（ｋ２σ２＋に３σ３）１ ０・ｌΔ“−に２＋に３ °Δ“ であり、これは次式のように整理される。

８°０″”−０′ ・・・・・・・・・・・（１０）
Ｓ２ Ｅ、σ３−σま ただし、Ｓ２．Ｓ３はロッドスケール及び筒体の各断面
積、Ｅ２．Ｅ３はロッドスケール及び筒体の各弾性係数
である。

すなわち、（１０）式を満たすように筒体とロッドスケ
ールを設計することにより、この磁気スケール装置に所
要の線膨張係数σ１をもたせることかできる。

上述のいわば断面積比設計法は、予め筒体及びロッドス
ケールの線膨張係数を（７）式を満たすように選択し、
次いで００）式を満たすように断面積を決めることによ
り、磁気スケール装置としての温度膨張を所望の（例え
ば鉄に近似した）量に設定することを可能にする。

当然のことながら、（１０）式はスケール長さ及び温度
（差）には無関係である。

上記の断面積比設計法に対し、ロッドスケールに所要の
張力を与えてこれを伸長させ、鉄の筒体に固定させる伸
長設計法がある。

この設計法は、筒体の剛性がロッドスケールの□剛性に
比して十分大きい場合に有効であり、筒体材料として鉄
及び鉄に近似する膨張係数を有するものに限定される。

これに対し、本発明に用いる断面積比設計法は、筒体と
ロッドスケールが共に剛性を有する場合に一般的に適用
でき、膨張係数については構成材料の選択に幅があって
使用範囲が拡大する特質をもっている。

次に実例を示す。

ロッドスケールとして燐青銅の棒材にＮ ｉ Ｃｏのメ
ッキ（約１０μｍ厚）をしたものを用いるとすると、σ
２：１７．６Ｘ１０７℃。

Ｅ ＝１１．ＯＸｌ ０３にシー２である。

筒体としてチタン合金（外側）と軟鉄（内側）とをクラ
ッド又は接合した複合材料を用いるとすると、σ３−９
、ＯＸｌ ０ ’／’Ｃ，Ｅ３＝１０．９Ｘ１０３ｋｇ
／７．ｔｍ２である。

かかる複合材料は、チタンの耐蝕性と軟鉄の磁気シール
ド性を利用したものである。

また、筒体として１３ Ｃｒ −０，Ｉ Ｃ低Ｓｉゲー
ジ鋼を用いるとすると、σ３＝９．９ Ｘ １０−６／
’Ｃ。

Ｅ３＝ ２０． ＯＸ １０ ” ｋｙ／ｍｉ”である
。

一方、所要の温度膨張係数σ、を機械に一般に要求され
る１ １、ＯＸ １０−６℃℃とすれば、これらの材料
は（７）式の条件σ３〈σ１〈σ２を満たすことになる
。

したがって、筒体に上記ゲージ鋼を使用する場合は、 Ｓ３１１ＸＩＯ３１１，０−１７，６ −、Ｘ −Ｘ ：３．３ Ｓ２２０Ｘ１０３９．９−１１．Ｑ を満たすようにロッドスケールと筒体の断面積Ｓ２ 、
Ｓ３を選定すればよい。

また、上記の如く材料及び断面積比を選定した筒体とロ
フトスケールでスケール装置を構成し、前述のようにロ
ントスケールを筒体の中立軸に配設し、両者の両端部を
ほぼ一体的に固定する場合、筒体とロッドスケールがそ
れぞれ剛性を有するためロッドスケールに「そり」等は
生じない。

この場合、温度変化による伸縮に伴い、筒体とロッドス
ケールとは互いに力を及ぼし合い、その合成力に従って
スケール装置は一体的に膨張又は収縮をすることになり
、結果として両者の伸び又は縮みは等しいと見ることが
できる。

第３図及び第４図は他の実施例を示し、第１図、第２図
との対応部分には同一符号を付して重複説明を省略する
。

本例は、前例の摺動体８ａ及び８ｂの代わりに筒体１の
外周面を摺動するリング状摺動体９を配し、これを検出
ヘッド６のホルダーとしたものであ兆。

測定子７は、摺動体９の外面の一部に固定する。

９′は、廻り止め突子である。以上のとおり、本発明に
よる磁気スケール装置は、筒体の中心軸にロッドスケー
ルを配し両者の両端部をほぼ一体的に固定して、簡単な
方法により筒体とロントスケールとの合成線膨張率を被
取付は体のそれと実質的に等しくしたため、温度変化に
伴うロントスケールの伸長ないし彎曲を無視できるばか
りでなく、前述のように従来の伸長設計法に比べ筒体材
料の選択範囲が広くなるため、スケールの用途等に応じ
て耐摩耗性又は耐蝕性その他の特性を筒体に具備させる
ことが可能となる。

すなわち、耐蝕性を得ようとする場合はチタン合金、磁
気シールド性に重きを置く場合はＮｉ合金鋼、鉄の膨張
に近似させることを主眼とする場合はＣｒ合金鋼やゲー
ジ鋼を用いることができるようになる。

また、本発明によれば、この種の同軸直線型磁気スケー
ル装置がユニット化されるため、全体として小型になる
ことは勿論、上述の如き構成によって設置条件の如伺に
拘らずその測定精度を確保でき、広汎な用途に使用可能
となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の構成を示す部分的断面図、
第２図はそのＡ−Ａ線上の断面図、第３図は他の例を示
す側面図、第４図はそのＢ−Ｂ線上の断面図である。 図中、１は筒体、２はロントスケール、６は検出ヘッド
、７は測定子、８ａ、８ｂ及び９は摺動体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 剛性を有する磁性材料より成る筒体内の中心部に磁
   気目盛が記録された剛性を有するロッドスケールを配し
   、その両端部さ上記筒体の両端部とヲホぼ一体的に固定
   し、上記ロッドスケールの軸線に沿い検出ヘッドを摺動
   させるように構成すると共に、上記ロントスケール（線
   膨張係数σ２）と上記筒体（線膨張係数σ３）との合成
   線膨張係数σ１（σ３〈σ１〈σ２もしくはσ３〉σ１
   〉σ２）が被取付は装置の線膨張係数とほぼ等しくなる
   ように上記ロントスケールと上記筒体との断面積の比を
   選定したことを特徴とする磁気スケール装置。