(57)【要約】【課題】小型化が図れると共に高精度に測定できるリニアスケールを提供する。【解決手段】リニアスケールのフレーム１４には外筒１５が取り付けられる。外筒１５の内側にはスプライン軸１１が嵌められる。外筒１５には軸線方向に伸びるボール転走部１５ａが形成され、スプライン軸１１にはボール転走部１５ａに対向するボール転走溝１１ｂが形成される。スプライン軸１１のボール転走溝１１ｂと外筒１５のボール転走部１５ａとの間には転がり運動する複数のボール１６…が介在される。スプライン軸１１の変位は、ガラススケール２２及びセンサ２３，２４で検出される。【選択図】　　　図２
2004117060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
軸線方向に伸びるボール転走溝が形成され、前記フレームに対して軸線方向に移動できるスプライン軸と、
前記フレームに取り付けられると共に前記スプライン軸に嵌められ、前記スプライン軸のボール転走溝に対向するボール転走部が形成される外筒と、
前記スプライン軸のボール転走溝と前記外筒のボール転走部との間に介在され、転がり運動する複数のボールと、
前記フレーム又は前記スプライン軸の一方に取り付けられるスケール部材と、前記フレーム又は前記スプライン軸の他方に取り付けられ、前記スケール部材の前記スプライン軸の軸線方向の変位を検出するためのセンサとを備えることを特徴とするリニアスケール。
【請求項２】
前記リニアスケールはさらに、スプライン軸の先端を測定対象に付勢するコイルばねを有し、
前記コイルばねの中心線は、前記スプライン軸の中心線と実質的に同一直線上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のリニアスケール。
【請求項３】
前記コイルばねは、前記スプライン軸の回りに巻かれると共に、引張り力に抗する引張ばねであることを特徴とする請求項２に記載のリニアスケール。
【請求項４】
前記センサは、
前記スケール部材に光を照射する光源と、及び前記スケール部材からの光を受光する受光素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のリニアスケール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象の変位を測定するための接触式のリニアスケールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象の変位を測定する変位計として、図７に示される接触式のリニアスケールが知られている。入力軸１には測定対象の軸線方向の変位が入力される。フレーム２に対する入力軸１の変位は、スケール部材３及び光センサ５，６で検出される。
【０００３】
入力軸１は、その先端に測定対象に接触される接触子１ａを有し、フレーム２にブッシュ７を介してスライド可能に支持されている。入力軸１の上端には光センサ５，６が取り付けられる。この光センサ５，６は、フレーム２に取り付けられたスケール部材３とによって光学式エンコーダを構成する。入力軸１と一緒に光センサ５，６が、スケール部材３に対してスライドすることによって、入力軸１の変位が検出される。
【０００４】
フレーム２には、回り止め軸８が入力軸１と平行に配置されている。入力軸１がフレーム２に対してスライドすると、入力軸１に固定されたブラケット９も回り止め軸８をスライドする。回り止め軸８は、入力軸１が回転してしまい、スケール部材３と光センサ５，６が接触するのを防止している。また回り止め軸８には、入力軸１を測定対象に付勢するためのコイルばね１０が巻かれている。
【０００５】
またこの他にも接触式のリニアスケールとして、例えば特許文献１に記載の測長器が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１８６０１８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成のリニアスケールでは、入力軸１と回り止め軸８の２本の軸が配置されているので、幅方向のスペースをとり、小型化の妨げになっていた。
【０００８】
また回り止め軸８側に配置されるコイルばね１０は、ブラケット９を介して入力軸１を測定対象に付勢させているので、入力軸１にモーメント荷重が発生するおそれがある。モーメント荷重が発生すると、入力軸１に取り付けられた光センサ５，６とスケール部材３との間の隙間が変動し、リニアスケールの精度に悪影響を与えてしまう。
【０００９】
そこで本発明は、小型化が図れると共に高精度に測定できるリニアスケールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、フレームと、軸線方向に伸びるボール転走溝が形成され、前記フレームに対して軸線方向に移動できるスプライン軸と、前記フレームに取り付けられると共に前記スプライン軸に嵌められ、前記スプライン軸のボール転走溝に対向するボール転走部が形成される外筒と、前記スプライン軸のボール転走溝と前記外筒のボール転走部との間に介在され、転がり運動する複数のボールと、前記フレーム又は前記スプライン軸の一方に取り付けられるスケール部材と、前記フレーム又は前記スプライン軸の他方に取り付けられ、前記スケール部材の前記スプライン軸の軸線方向の変位を検出するためのセンサとを備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、入力軸にスプライン軸を採用することで、回り止め軸を廃止することができ、リニアスケールの幅方向の寸法を小さくすることができる。
【００１３】
また前記リニアスケールはさらに、スプライン軸の先端を測定対象に付勢するコイルばねを有し、前記コイルばねの中心線は、前記スプライン軸の中心線と実質的に同一直線上に配置されることが望ましい。
【００１４】
この発明によれば、コイルばねからスプライン軸に加わる力がスプライン軸の中心線上に働くので、スプライン軸にモーメントが加わることがない。このためスケール部材とセンサとの間の隙間も変動し難くなり、高精度のリニアスケールが得られる。
【００１５】
さらに前記コイルばねは、前記スプライン軸の回りに巻かれると共に、引張り力に抗する引張ばねであることが望ましい。
【００１６】
この発明によれば、引張ばねをスプライン軸に被せるように配置することで、リニアスケールをより小型化することができる。
【００１７】
さらに前記センサは、前記スケール部材に光を照射する光源と、及び前記スケール部材からの光を受光する受光素子とを備えていてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の一実施形態におけるリニアスケールを示す。図１はカバー１２で覆われたリニアスケールの外観図、図２は断面図を示す。このリニアスケールでは、入力軸としてのスプライン軸１１の先端の接触子１１ａを測定対象に接触させて、スプライン軸１１に測定対象の軸線方向の変位が入力される。入力軸の変位は、カバー１２内に配置したスケール部材及びセンサ２２〜２５で検出される。リニアスケールのフレーム１４は、図示しない据付台等に固定され、箱状に形成されるカバー１２で覆われる。
【００１９】
フレーム１４の下部には円筒部１４ａが突出して形成され、この円筒部１４ａ内に外筒１５が嵌め込まれる。外筒１５の内側にはスプライン軸１１が軸線方向にスライド可能に嵌め込まれる。
【００２０】
図３及び図４はスプライン軸１１及び外筒１５を示す。スプライン軸１１は断面略円形状をなし、その材質には軸受け鋼、ステンレス鋼等の剛性の強いものが用いられる。スプライン軸１１の表面にはボール１６…の軌道となり、スプライン軸１１の軸線方向に延びる複数条のボール転走溝１１ｂ…が形成される。このボール転走溝１１ｂの断面は、例えば単一の円弧からなるサーキュラーアーク形状で、その深さがボール１６…の直径の約１／５０以下に設定されるのが望ましい。ここで、ボール転走溝１１ｂの深さとは、想定した真円状のスプライン軸１１からボール転走溝１１ｂの最深部までの距離をいう。ボール転走溝１１ｂの曲率半径はボール１６の曲率半径よりも若干大きく、例えば０．５２Ｄ（Ｄ；ボールの直径）に設定される。ボール転走溝１１ｂとボール１６とはある程度の接触面積をもって一点で接触している。深さをボール１６…の直径の約１／５０以下に設定した理由については後述する。
【００２１】
スプライン軸１１に嵌め込まれる外筒１５は、スプライン軸１１に対する外筒１５の相対的な直線運動に併せて転がり運動する複数のボール１６…と、外筒１５に一体に組み込まれ、複数のボール１６…をスプライン軸１１の軸線方向に整列・保持する保持器１７とを備える。
【００２２】
外筒１５は強靭な軸受け鋼等から製造され、スプライン軸１１が貫通可能なように略円筒形状に形成される。外筒１５の内周面には、ボール１６…の軌道となり、スプライン軸１１のボール転走溝１１ｂに対応して軸線方向に延びる複数条のボール転走部としてのボール転走溝１５ａ…が形成される。
【００２３】
図５は外筒１５を示す。外筒１５には、ボール１６…を循環させるためのサーキット状の循環経路が形成された略円筒形状の保持器１７が一体に組み込まれる。外筒１５に形成したボール転走溝１５ａと、スプライン軸１１に形成したボール転走溝１１ｂとの間で負荷転走路Ａが構成される。負荷転走路Ａの隣には、荷重から解放されたボール１６…が転走する無負荷戻し通路Ｂが形成されている。直線状の負荷転走路Ａ及び無負荷戻し通路Ｂの両端には、負荷転走路Ａと無負荷戻し通路Ｂとを連結する曲線状のリターン通路Ｃが形成される。これら負荷転走路Ａ、無負荷戻し通路Ｂ、曲線状のリターン通路Ｃによってボールを循環させる循環経路が構成される。
【００２４】
保持器１７は、外筒１５をスプライン軸１１から抜いた際にボール１６…が外筒１５から脱落するのを防止する。保持器１７の材質には合成樹脂、ステンレス等が用いられる。外筒１５の軸線方向の両端には、外筒１５に保持器１７を一体で組み付けるための止め輪１８が設けられている。
【００２５】
スプライン軸１１に対して外筒１５を相対的に直線的に移動させると、ボール１６…が負荷転走路Ａで荷重を受けながら転がり運動する。負荷転走路Ａを転走したボール１６…は、保持器１７に形成した船底型のリップ１９で掬い上げられ、負荷転走路Ａの両端に設けた一方のリターン通路Ｃで徐々に方向を変えられ、無負荷戻し通路Ｂに移動する。無負荷戻し通路Ｂではボール１６…が負荷転走路Ａと逆方向に移動する。無負荷戻し通路Ｂを移動するボール１６…は、他方のリターン通路Ｃで再び方向を変えられ、リップ１９から再び負荷転走路Ａ内に戻される。
【００２６】
ボール転走溝１１ｂの深さをボール径の１／５０以上に設定すると、負荷転走路Ａを転がるボール１６…を無負荷戻し通路Ｂに戻すために掬い上げる距離も極めて短くなる。このためボール１６…が円滑に循環し、スプライン軸１１がスライドする際の抵抗を低減できる。また本実施形態ではボール転走溝１１ｂの深さをボール直径の約１／５０以下にすることで、ラジアル方向の荷重を受けるのに必要以上にボール転走溝１１ｂの深さが深くなるのを防止している。
【００２７】
図２に示されるように、スプライン軸１１の上部にはスプライン軸１１を測定対象に付勢するための引張ばね２１が巻かれる。この引張ばね２１はフレーム１４に形成された円筒部１４ａ内に収納され、外筒１５に隣接して配置されている。引張ばね２１の下端部はフレーム１４側に取り付けられ、上端部はスプライン軸１１側に取り付けられる。フレーム１４に対してスプライン軸１１が図中上方向に移動すると、引張ばね２１を引っ張ろうとする力が働く。引張ばね２１はこの引っ張ろうとする力に抵抗する。また、引張ばね２１の中心線とスプライン軸１１の中心線は実質的に同一直線上に配置され、引張ばね１２がスプライン軸１１を測定対象に付勢するときに、スプライン軸１１にモーメント荷重が働かないようになっている。
【００２８】
フレーム１４には、スケール部材としての例えば板状のガラススケール２２が取り付けられる。ガラススケール２２には、多数の縞状の目盛りが金属をスパッタリングすること等によって形成されている。
【００２９】
スプライン軸１１には、ガラススケール２２と所定の隙間（例えば５μｍ〜１０μｍ）を空けてスプライン軸と一緒に動ける副尺２３、並びにガラススケール２２及び副尺２３の目盛りを読み取るためのセンサ２４，２５が取り付けられる。センサ２４，２５は、例えばガラススケール２２に光を照射する光源としての発光ダイオード２４と、ガラススケール２２を介して発光ダイオード２４と対向配置され、ガラススケール２２及び副尺２３を通過する光を受光する受光素子としてのフォトトランジスタ２５とを備える。フォトトランジスタ２５の電気信号はフレキシブルケーブルを介して図示しないカウンタに出力され、カウンタがこの信号に基づいてスプライン軸１１の変位を演算する。副尺には例えばＡ相とＢ相の２つの縞群が形成され、スプライン軸１１がプラス方向（図中上方向）あるいはマイナス方向（図中下方向）に移動しているかがわかるようになっている。これらガラススケール２２、副尺２３、センサ２４，２５により光学式エンコーダが構成される。
【００３０】
本実施形態のリニアスケールの変位の検出方法について説明する。まずスプライン軸１１の先端の接触子１１ａを測定対象の表面に接触させる。これによりスプライン軸１１と一体になっている発光ダイオード２４、フォトトランジスタ２５等のセンサも、スプライン軸１１と共に軸方向に変位する。発光ダイオード２４から発光される光はガラススケール２２及び副尺２３によって変調される。フォトトランジスタ２５はこの変調光を光電変換し、カウンタに変位信号として出力する。カウンタは変位信号をスプライン軸の変位に演算処理する。
【００３１】
本実施形態によれば、入力軸１１をスプライン軸にしたので、従来のような回り止め軸が不要になり、幅方向の寸法を小さくすることができる。また引張ばね２１の中心線はスプライン軸１１の中心線と実質的に同一直線上に配置されるので、引張ばね２１からスプライン軸１１に加わる力がスプライン軸１１の中心線上に働き、スプライン軸１１にモーメント荷重が加わることがない。このためガラススケール２２と副尺２３との間の隙間も変動し難くなり、安定した信号が得られ、センサ２４，２５がミスカウントするのが防止される。
【００３２】
図６は、引張ばね２１を使用した場合と圧縮ばね２９を使用した場合とで、スプライン軸１１及びばねの軸線方向の長さを比較した概念図を示す。図中（Ａ）は引張ばね２１を使用した例を示し、図中（Ｂ）は圧縮ばね２９を使用した比較例を示す。図中（Ａ−１）及び（Ｂ−１）は、スプライン軸１１が外筒１５から最も飛び出した状態を示し、図中（Ａ−２）及び（Ｂ−２）は、スプライン軸１１が外筒１５内に引き込まれた状態を示す。スプライン軸は図中（Ａ−１）及び（Ｂ−１）の状態から図中（Ａ−２）及び（Ｂ−２）の状態までストロークできるようになっている。
【００３３】
この図に示されるように、引張ばね２１をスプライン軸１１に被せるように配置することで、圧縮ばね２９をスプライン軸１１の軸線方向に並べて配置する場合に比べてリニアスケールをより小型化することができる。また引張ばね２１を使用した場合、スプライン軸１１のストロークを例えば１０ｍｍ長くしたい場合、数巻分例えば２〜３ｍｍ程度引張ばねを長くするだけで済む。これに対し、圧縮ばね２９を使用した場合、スプライン軸１１のストロークを例えば１０ｍｍ長くしたい場合、圧縮ばねをストロークの倍程度、例えば９ｍｍ程度長くする必要がある。このようにストロークを長くしたい場合も、引張ばね２１を使用すると、圧縮ばね２９を使用する場合に比べてばね自体の長さも短くすることができる。
【００３４】
なお本実施形態では、発光ダイオード２４から発光される光がガラススケール２２を透過する所謂透過型のエンコーダを採用しているが、この例に限られず、例えば発光ダイオード２４から発光される光をガラススケールによって反射する反射型のエンコーダを採用してもよい。また上述の例に限られず、誘導電流型や静電容量型、又は磁気型エンコーダも採用することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、入力軸にスプライン軸を採用することで、回り止め軸を廃止することができ、リニアスケールの幅方向の寸法を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアスケールの外観図。
【図２】上記リニアスケールの断面図。
【図３】スプライン軸及び外筒を示す斜視図。
【図４】スプライン軸及び外筒を示す断面図。
【図５】外筒を示す斜視図（一部断面図を含む）。
【図６】引張ばねを使用した場合と圧縮ばねを使用した場合とで、スプライン軸及びばねの軸線方向の長さを比較した概念図。
【図７】従来のリニアスケールを示す断面図。
【符号の説明】
１１…スプライン軸
１１ｂ…ボール転走溝
１１ａ…接触子
１４…フレーム
１５…外筒
１５ａ…ボール転走溝（ボール転走部）
１６…ボール
２２…ガラススケール（スケール部材）
２４…発光ダイオード（センサ）
２５…フォトトランジスタ（センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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