(57)【要約】【課題】着脱が容易で、測定精度が高く、低コストの自動化機器の変位測定機構を提供する。【解決手段】自動化機器の変位測定機構であって、上記自動化機器１００は、装置基台部１０と、加工軸Ｌに対して平行に配設された装置基台部１０上の少なくとも１つの荷重リニアスライドレール２０と、荷重リニアスライドレール２０に対して平行に配設された駆動ユニット３０と、荷重リニアスライドレール２０及び駆動ユニット３０に接続された摺動テーブル４０とを備える。上記変位測定機構５０は、非荷重リニアスライドレール５３、スケール５１、リニアスライドベース５４及びリードヘッド５２を備える。上記非荷重リニアスライドレール５３は、装置基台部１０上に配設されるとともに、加工軸Ｌに隣り合う。【選択図】図１
2020008554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動化機器の変位測定機構であって、
上記自動化機器は、装置基台部と、加工軸に対して平行に配設された装置基台部上の少なくとも１つの荷重リニアスライドレールと、荷重リニアスライドレールに対して平行に配設された駆動ユニットと、荷重リニアスライドレール及び駆動ユニットに接続された摺動テーブルと、を備え、
上記変位測定機構は、非荷重リニアスライドレール、スケール、リニアスライドベース及びリードヘッドを備え、
上記非荷重リニアスライドレールは、装置基台部上に配設されるとともに、加工軸に隣り合い、
上記スケールは、非荷重リニアスライドレール上に配設され、加工軸に対して平行に設けられ、
上記リニアスライドベースは、非荷重リニアスライドレール上に摺動可能に接続される上、摺動テーブルに接続されるが、摺動テーブルの荷重を受けず、
上記リードヘッドは、リニアスライドベースに接続されるとともに、スケールに対応することを特徴とする自動化機器の変位測定機構。
【請求項２】
固定フレームをさらに含み、
前記駆動ユニットは、スライドベースを介して摺動テーブルに接続され、
前記リニアスライドレールは、スライドベースに固定され、
前記固定フレームは、リニアスライドレール上に配設されるとともに、駆動ユニットに近接し、
前記リードヘッドは、固定フレーム上に配設され、スライドベースによりリニアスライドベースを駆動し、同期で固定フレームの変位によりリードヘッドを連動し、リードヘッドによりスケールを変位し、変位データを得ることを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項３】
前記スケールは、駆動ユニットに近接するとともに、加工軸に隣り合うことを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項４】
前記スケールの取付け位置は、自動化機器の加工軸に位置することを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項５】
前記装置基台部は、基準プラットフォームを有し、
前記基準プラットフォームは、荷重リニアスライドレールに対して平行に設置され、非荷重リニアスライドレールを基準プラットフォーム上に当接し、非荷重リニアスライドレールと荷重リニアスライドレールとが平行に配列されることを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項６】
前記スケールは、リードヘッドと組み合わされてリニアエンコーダが形成され、
前記リニアエンコーダは、磁気エンコーダ、光学式エンコーダ又はレーザエンコーダであることを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項７】
前記駆動ユニットは、ボールねじ、ラックピニオン又はリニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項８】
自動化機器の変位測定機構であって、
上記自動化機器は、装置基台部と、加工軸に対して平行に配設された装置基台部上の少なくとも１つの荷重リニアスライドレールと、荷重リニアスライドレールに対して平行に配設された駆動ユニットと、荷重リニアスライドレール及び駆動ユニットに接続された摺動テーブルと、を備え、
上記変位測定機構は、非荷重リニアスライドレール、スケール、リニアスライドベース及びリードヘッドを備え、
上記非荷重リニアスライドレールは、摺動テーブル上に配設されるが、摺動テーブルの荷重を受けず、
上記スケールは、非荷重リニアスライドレール上に配設されるとともに、加工軸に対して平行に設けられ、
上記リニアスライドベースは、装置基台部と非荷重リニアスライドレールとの間に配設されるとともに、非荷重リニアスライドレールがリニアスライドベース上に摺動可能に接続され、
上記リードヘッドは、リニアスライドベースに接続されるとともに、スケールに対応することを特徴とする自動化機器の変位測定機構。
【請求項９】
固定フレームをさらに含み、
前記固定フレームは、リニアスライドベース上に固定されるとともに、駆動ユニットに近接し、
前記リードヘッドは、固定フレーム上に配設され、スケールに近接して対応することを特徴とする請求項８に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項１０】
前記スケールは、駆動ユニットに近接するとともに、加工軸に隣り合うことを特徴とする請求項８に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項１１】
前記スケールは、リードヘッドと組み合わされてリニアエンコーダが形成され、
前記リニアエンコーダは、磁気エンコーダ、光学式エンコーダ又はレーザエンコーダであることを特徴とする請求項８に記載の自動化機器の変位測定機構。
【請求項１２】
前記駆動ユニットは、ボールねじ、ラックピニオン又はリニアモータであることを特徴とする請求項８に記載の自動化機器の変位測定機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位測定装置に関し、特に、着脱が容易で、測定精度が高く、低コストの自動化機器の変位測定機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアエンコーダ（ｌｉｎｅａｒ  ｅｎｃｏｄｅｒ）は、光学式エンコーダ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｃｏｄｅｒ）、磁気エンコーダ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｎｃｏｄｅｒ）、レーザエンコーダ（ｌａｓｅｒ  ｅｎｃｏｄｅｒ）などを含み、エレクトロメカニカル原理が融合された光学装置であり、自動化機器中の操作機構の運動状態を監視して進行距離を測定し、自動化機器は所定の操作を行うことができる。
【０００３】
リニアエンコーダは、自動化制御機器（例えば、工作機械）において、ボールねじが熱膨張により発生する位置決め誤差を効果的に低減させて加工精度を高め、ワークピースの品質を高めることができる。そのため、リニアエンコーダは、既に主な位置計測装置のうちの１つとなっている上、従来のリニアエンコーダは、取り付け方式に基づいて外付け方式と内蔵方式との２種類に分けられる。
【０００４】
図６に示すように、従来の外付け式リニアエンコーダは、光学式エンコーダ１が工作機械の荷重リニアスライドレール２の一側に取付けられ、光学式エンコーダ１の本体は、荷重リニアスライドレール２に対して平行に設置され、荷重スライドベース３上にはリードヘッド４が取り付けられ、リードヘッド４を光学式エンコーダ１に接近させて対応させる。リードヘッド４が荷重スライドベース３により光学式エンコーダ１に対して変位すると、変位データが得られる。
【０００５】
しかし、このような外付け式の光学式エンコーダ１は、油汚れによる悪影響を受ける（判読が不正確となる）だけでなく、外部の衝撃により損壊し易く、最悪の場合、光学式エンコーダ１が荷重リニアスライドレール２に対して平行に保つ必要がある上、荷重リニアスライドレール２の周側に狭い組立空間しか残っていないため、光学式エンコーダ１の取付け及び補正を行うことは困難であった。
【０００６】
前述したように、外付け式光学式エンコーダ１は、手作業により補正することが困難な取付け問題を改善するために、図７に示すように、内蔵式の磁気エンコーダ５であり、工作機械の荷重リニアスライドレール２が工作機械の加工軸に対して平行に設けられるため、直接、磁気エンコーダ５を荷重リニアスライドレール２の両側のスライド溝６に取付け、光学式エンコーダより容易に補正することができる。しかし、一般の荷重リニアスライドレール２のスライド溝６の高さには限界がある上（僅か約６０ｍｍ）、磁気エンコーダ５の分解能が光学式エンコーダの分解能より低いため、磁気エンコーダ５のサイズが小さいほどその分解能も低く、測定精度に対する使用ニーズを満たすことができず、内蔵式の磁気エンコーダ５は、小型の磁気エンコーダ５（例えば、３５ｍｍ以下の小型の磁気エンコーダ５）を取付けることが容易でないか、精度は高くなかった。また、磁気エンコーダ５の価格が高く、使用する磁気エンコーダ５のサイズが大きいほどコストも増大した。
【０００７】
外付け式の光学式エンコーダ１又は内蔵式の磁気エンコーダ５であっても、それらに共通する問題としては、耐振性が低く、外部の衝撃を受けて損壊し易く、損壊した場合でも取り外すことが困難であり、最悪の場合、全く取り外すことができず、装置全体を全て分解しなければ修理が困難なことであった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の第１の目的は、加工軸に近接して取り付けるとともに、互いに摺動する非荷重リニアスライドレール及びリニアスライドベースを有し、その上にスケール及びリードヘッドをそれぞれ設け、リニアスライドベースは、摺動テーブルの荷重を受ける必要がないため、変位測定機構全体を着脱することができる上、スケールを補正することもでき、容易に取り外すことができる自動化機器の変位測定機構を提供することにある。
本発明の第２の目的は、リニアスライドベースが摺動テーブルの荷重を受けないため、スケールは、既有のリニアスライドレールの製品の寸法の制限を受けず、量産化が容易で、コストを低減する自動化機器の変位測定機構を提供することにある。
本発明の第３の目的は、スケールの取付け位置が自動化機器の加工軸（加工点）上に位置し、両者を重ねて同一直線に位置するため、加工誤差が極めて小さく、高い加工精度が得られる自動化機器の変位測定機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、自動化機器の変位測定機構であって、上記自動化機器は、装置基台部と、加工軸に対して平行に配設された装置基台部上の少なくとも１つの荷重リニアスライドレールと、荷重リニアスライドレールに対して平行に配設された駆動ユニットと、荷重リニアスライドレール及び駆動ユニットに接続された摺動テーブルと、を備え、上記変位測定機構は、非荷重リニアスライドレール、スケール、リニアスライドベース及びリードヘッドを備え、上記非荷重リニアスライドレールは、装置基台部上に配設されるとともに、加工軸に隣り合い、上記スケールは、非荷重リニアスライドレール上に配設され、加工軸に対して平行に設けられ、上記リニアスライドベースは、非荷重リニアスライドレール上に摺動可能に接続される上、摺動テーブルに接続されるが、摺動テーブルの荷重を受けず、上記リードヘッドは、リニアスライドベースに接続されるとともに、スケールに対応することを特徴とする自動化機器の変位測定機構が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の自動化機器の変位測定機構は、スケールを加工軸に近接して取付けるため、着脱が容易な上、寸法による制限も受けず、スケールを大量に生産することができる長所を有し、コストを低減させることができる。また、非荷重リニアスライドレールの設置により、スケールの取付けが容易であり、加工軸（加工経路）に対して常に平行に保ち、変位測定の精度を高め、加工誤差を効果的に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る自動化機器の変位測定機構を示す組立図である。
【図２】図２は、リードヘッドが固定フレームを介してリニアスライドベース上に配設された状態を示す説明図である。
【図３】図３は、図１の組立図に類似し、変位測定機構が加工軸から僅かにずれて取り付けられた状態を示す組立図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る自動化機器の変位測定機構を示す組立図である。
【図５】図５は、変位測定機構を軸受に応用した状態を示す説明図である。
【図６】図６は、従来の光学式エンコーダを荷重リニアスライドレールに応用した状態を示す組立図である。
【図７】図７は、従来の磁気エンコーダ及び荷重リニアスライドレールを示す組立図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１及び図２を参照する。図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る自動化機器の変位測定機構の自動化機器１００は、装置基台部１０と、加工軸Ｌに対して平行に配設された装置基台部１０上の２つの荷重リニアスライドレール２０と、荷重リニアスライドレール２０に対して平行に配設された駆動ユニット３０と、荷重リニアスライドレール２０及び駆動ユニット３０に接続された摺動テーブル４０と、を含む。荷重リニアスライドレール２０、駆動ユニット３０、摺動テーブル４０間は、スライドベース２１を介してスライドベース３１に接続され、各スライドベース２１、スライドベース３１を介して摺動テーブル４０を荷重リニアスライドレール２０、駆動ユニット３０上で摺動させ、左方向又は右方向の直線運動を行う。駆動ユニット３０は、ボールねじ（ｂａｌｌｓｃｒｅｗ）、ラックピニオン（ｒａｃｋ  ａｎｄ  ｐｉｎｉｏｎ）又はリニアモータ（ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｔｏｒ）である。第１実施形態の駆動ユニット３０はボールねじである。
【００１３】
第１実施形態は、変位測定機構５０がスケール（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ）５１（一般にスケールと称される）、リードヘッド５２、非荷重リニアスライドレール５３及びリニアスライドベース５４を含む特徴を有する。
【００１４】
非荷重リニアスライドレール５３は、装置基台部１０上に配設され、加工軸Ｌに隣り合う。
【００１５】
スケール５１は、非荷重リニアスライドレール５３上に配設され、加工軸Ｌに対して平行かつ隣り合うように設けられ、駆動ユニット３０に近接する。第１実施形態では、スケール５１とリードヘッド５２とが組み合わされてリニアエンコーダを形成する。このリニアエンコーダには、磁気エンコーダ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｎｃｏｄｅｒ）、光学式エンコーダ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｃｏｄｅｒ）、レーザエンコーダ（ｌａｓｅｒ  ｅｎｃｏｄｅｒ）などが含まれる。磁気エンコーダは、油汚れに強い長所を有するため、第１実施形態のスケール５１には、磁気エンコーダを使用することが好ましい。
【００１６】
リニアスライドベース５４は、非荷重リニアスライドレール５３上に摺動可能に接続される上、摺動テーブル４０に接続されるが、摺動テーブル４０の荷重は受けない。
【００１７】
リードヘッド５２は、リニアスライドベース５４に接続されるとともに、スケール５１に対応する。第１実施形態において、リードヘッド５２は、スケール５１の位置データを解読してから、制御センター（図示せず）により演算制御し、摺動テーブル４０の左方向又は右方向への運動を制御するデコーダ（ｄｅｃｏｄｅｒ）である。制御センターについては、本発明の技術的特徴ではないため、ここでは詳しく述べない。
【００１８】
変位測定機構５０は、固定フレーム５５をさらに含む。リニアスライドベース５４は、スライドベース３１上に接続される。固定フレーム５５は、リニアスライドベース５４上に配設される上、駆動ユニット３０に接続される。リードヘッド５２は、固定フレーム５５上に配設される。実際には、装置基台部１０を製造する際、装置基台部１０上に上非荷重リニアスライドレール５３が一体化される。そのため、スケール５１が非荷重リニアスライドレール５３の一側の軌道５３１上に配設されるとともに、固定フレーム５５を介してリードヘッド５２が取付けられ、スライドベース３１によりリニアスライドベース５４を駆動し、固定フレーム５５の変位によりリードヘッド５２が同期で連動し、リードヘッド５２によりスケール５１が変位し、変位データが得られる。
【００１９】
図２を参照する。図２に示すように、第１実施形態に係る自動化機器の装置基台部１０は、基準プラットフォーム１１を含む。基準プラットフォーム１１は、図１の荷重リニアスライドレール２０に対して平行に設置される。そのため、変位測定機構５０を取付ける際、非荷重リニアスライドレール５３を基準プラットフォーム１１上に当接させ、非荷重リニアスライドレール５３と荷重リニアスライドレール２０とを平行に設置することにより、補正の必要を無くし、その上に設けたスケール５１を工作機械６０の加工点Ａに対して平行に配列し（図１を参照）、組立てを迅速かつ正確に行うことができ、再び補正する手間を無くすことができる。
【００２０】
第１実施形態において変位測定機構５０は、自動化機器１００の各加工軸上に応用することができる。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の駆動ユニット（ボールねじ）の一側に近接させる。
【００２１】
そのため、本発明に係る自動化機器の変位測定機構のスケール５１を駆動ユニット３０に近接する取付け方式は、駆動ユニット３０の周囲空間が大きめであるため、着脱し易い上、様々なサイズのスケール５１を無制限に取付けることができる。そのため、スケール５１のサイズが制限を受けない状況下で大量生産して製造コストを低減し、様々な機種の自動化機器（工作機械）に適用することができる。
【００２２】
精密機械設計の誤差要素の角度から見ると、光学式エンコーダ又は磁気エンコーダ（計測器）自身の製造問題以外に、アッベ誤差（Ａｂｂｅ  ｅｒｒｏｒ）を考慮しなければならず、アッベ誤差は次式（１）で表すことができる。
【００２３】
Abbe error = S*Sinθ              （１）
【００２４】
上記式において、Ｓはリニア運動軸とスケール軸との間の距離を表し、θは切削軸とスケール軸との角度誤差を表す。そのため、Ｓの数値が大きくなるに従い、誤差も大きくなる。
【００２５】
同じ理由により、第１実施形態の自動化機器１００の工作機械６０は、ワークピース６１に対して加工を行う加工点Ａが、加工軸Ｌと重なる同一直線に位置し、スケール５１の取付け位置は、加工軸Ｌに位置するか（図１を参照）、加工軸Ｌに隣り合う（図３又は図４を参照）。そのため、両者の角度誤差は零であるか、ほぼ零である。さらに、スケール５１と駆動ユニット３０との間の距離Ｓが非常に短く、最適な距離Ｓは零（図１を参照）又はほぼ零（図３又は図４を参照）であるため、第１実施形態の変位測定機構５０のアッベ誤差は非常に小さいため、考慮する必要が無い。そのため、自動化機器の加工精度を高めることができる
【００２６】
（第２実施形態）
図４を参照する。図４に示すように、本発明の第２実施形態に係る自動化機器の変位測定機構は、自動化機器１００を含む。自動化機器１００は、装置基台部１０と、加工軸Ｌ（加工点Ａ）に対して平行に配設された装置基台部１０上の２つの荷重リニアスライドレール２０と、荷重リニアスライドレール２０に対して平行に配設された駆動ユニット３０と、荷重リニアスライドレール２０及び駆動ユニット３０に接続された摺動テーブル４０と、を含む。荷重リニアスライドレール２０、駆動ユニット３０、摺動テーブル４０間は、スライドベース２１を介してスライドベース３１と接続され、各スライドベース２１、スライドベース３１を介して摺動テーブル４０を荷重リニアスライドレール２０、駆動ユニット３０上で摺動させ、左方向又は右方向の直線運動を行う。駆動ユニット３０は、ボールねじ（ｂａｌｌｓｃｒｅｗ）、ラックピニオン（ｒａｃｋ  ａｎｄ  ｐｉｎｉｏｎ）又はリニアモータ（ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｔｏｒ）である。本実施形態の駆動ユニット３０はボールねじである。
【００２７】
第２実施形態に係る変位測定機構５０は、スケール５１と、リードヘッド５２と、摺動テーブル４０上に設置された非荷重リニアスライドレール５３と、装置基台部１０上に接続されたリニアスライドベース５４と、を含む。スケール５１は、非荷重リニアスライドレール５３上に配設され、摺動テーブル４０に接続され、加工軸Ｌに対して平行かつ隣り合うように設けられる。リードヘッド５２は、リニアスライドベース５４に固定され、装置基台部１０に接続されるとともに、スケール５１に対応する。第２実施形態に係る自動化機器の変位測定機構は、固定フレーム７０をさらに含む。固定フレーム７０は、装置基台部１０上に配設されるとともに、駆動ユニット３０に近接する。リードヘッド５２は、固定フレーム７０上に配設され、スケール５１に近接して対応する。そのため、スケール５１が加工軸Ｌに平行に近接して摺動テーブル４０上に接続され、固定フレーム７０の支持フレームの設置により、リードヘッド５２を装置基台部１０上に接続し、スケール５１に近接する。即ち、第２実施形態に係る自動化機器の変位測定機構は、摺動テーブル４０を介してスケール５１をリードヘッド５２に対して変位させ、変位データを得て、上述した第１実施形態と同様に使用効果が得られる。
【００２８】
上述したことをまとめると、第２実施形態の変位測定機構５０は、光学式エンコーダ（磁気エンコーダ）を荷重リニアスライドレール上に配設していた従来の方式を、独立した小型のスライドレールで機器に取付ける方式で代替する。非荷重リニアスライドレール５３は、摺動テーブル４０の働きをせず、単純な変位スケール（ｓｃａｌｅ）の機能として使用される。そのため、スケール５１は、従来の荷重リニアスライドレールの断面形状、寸法の制限を受けず、実際に組立てる者は、組立て空間に応じて変位測定機構５０を取付けることができる。そのため、本発明は着脱、メンテナンスを容易に行うことができる長所を備える以外に、スライドレールの寸法による制限を受けず、本発明の変位測定機構５０は、従来の小型スライドレールを使用することができるため、大量生産に適する長所を有し、コストを下げることができる。また、非荷重リニアスライドレール５３の設置により、スケール５１の取付けが容易であり、加工軸Ｌ（加工経路）に対して常に平行に保ち、変位測定の精度を高め、加工誤差を効果的に低減させることができる。
【００２９】
図２を参照する。図２に示すように、一般の自動化機器がスライドベース３１上には、螺着を行う複数のロックポイント５４１が設けられ、実際に使用する際、既有のロックポイント５４１を介して固定フレーム５５を接続し、その上にリードヘッド５２を取付け、リードヘッド５２をスケール５１に対応させる。そのため、組立てを容易かつ正確に行い、組立て全体の精度を向上させることができる。
【００３０】
最終的に、従来の光学式エンコーダ又は磁気エンコーダでは、取付けが困難だった問題に対し、本発明の変位測定機構５０は駆動ユニット３０に近接するように取付け、配線し易い上、組立及び分解をスムーズかつ容易に行い、駆動ユニット３０の周側又は下方に取付け、埃、油汚れを防ぐことができる上、高荷重のリニアスライドレール及びそのユニットの振動による影響を直接受けることを防ぐ。
【００３１】
ここで、図１〜図４に示すように、変位測定機構５０は、直線移動の取付け使用方式を開示する。勿論、変位測定機構５０は、旋回運動の自動化機器に応用される。図５に示すように、例えば、リードヘッド５２を軸受８０の内輪８１に取付け、スケール５１を外輪８２に取付けてもよいし、両者の位置を交換してもよく、工作機械９０が加工点Ａで旋回する際、リードヘッド５２によりスケール５１に対する旋回変位データが得られる。
【符号の説明】
【００３２】
１  光学式エンコーダ
２  荷重リニアスライドレール
３  荷重スライドベース
４  リードヘッド
５  磁気エンコーダ
６  スライド溝
１０  装置基台部
１１  基準プラットフォーム
２０  荷重リニアスライドレール
２１  スライドベース
３０  駆動ユニット
３１  スライドベース
４０  摺動テーブル
５０  変位測定機構
５１  スケール
５２  リードヘッド
５３  非荷重リニアスライドレール
５４  リニアスライドベース
５５  固定フレーム
６０  工作機械
６１  ワークピース
７０  固定フレーム
８０  軸受
８１  内輪
８２  外輪
９０  工作機械
１００  自動化機器
５３１  軌道
５４１  ロックポイント
Ａ  加工点
Ｌ  加工軸
Ｓ  距離
【図１】
2020008554.tif 000003
【図２】
2020008554.tif 000004
【図３】
2020008554.tif 000005
【図４】
2020008554.tif 000006
【図５】
2020008554.tif 000007
【図６】
2020008554.tif 000008
【図７】
2020008554.tif 000009